1996年,，ST開始與卡塔尼亞大學(xué)合作研發(fā)碳化硅（SiC） ，今天,，SiC正在徹底改變電動汽車,。

　　為了慶祝ST研發(fā)SiC 25周年，我們決定探討 SiC在當今半導(dǎo)體行業(yè)中所扮演的角色,，ST的碳化硅研發(fā)是如何取得成功的,，以及未來發(fā)展方向。Exawatt 的一項研究指出,，到2030年,， 70%的乘用車將采用SiC MOSFET。這項技術(shù)也正在改變其他市場,，例如，太陽能逆變器,、儲能系統(tǒng),、服務(wù)器電源、充電站等,。因此,，了解SiC過去25年的發(fā)展歷程是極其重要的，對今天和明天的工程師大有裨益,。

　　碳化硅：半導(dǎo)體行業(yè)如何克服技術(shù)挑戰(zhàn)

　　SiC的發(fā)展歷史不僅引人入勝,，而且情節(jié)緊張激烈，因為捷足先登才能取得先機,。SiC特性在20世紀初就已經(jīng)確立,，第一個SiC發(fā)光二極管追溯到1907年。物理學(xué)家知道,，SiC的帶隙 <https://blog.st.com/silicon-carbide-cars-wide-bandgap-semiconductor/%20>更寬 ,，比硅寬約2ev，這意味著在室溫下SiC器件的臨界場強是硅基器件的5倍到10倍,。因此,，新技術(shù)可以極大地提高電力轉(zhuǎn)換效率，同時耐受更高的電壓和更惡劣的作業(yè)狀況,。

　　碳化硅發(fā)展的攔路虎

　　阻礙SiC的發(fā)展的難題是,，直到1996年，都沒有人知道如何在半導(dǎo)體晶圓廠實現(xiàn)SiC商用,，因為SiC襯底缺陷太多,，而且烤箱的高溫不能兼容碳化硅材料。此外，半導(dǎo)體行業(yè)又耗費了十年時間,，才能在兩英寸以上的晶圓上制造SiC器件,，在大晶圓上加工芯片是降低成本的關(guān)鍵。盡管困難重重,，ST還是先行一步,，投入巨資研發(fā)SiC，并與學(xué)術(shù)界展開合作,，成功地克服了所有這些挑戰(zhàn),。

　　·2002年5月，ST成功研發(fā)出了肖特基SiC二極管

　　·2006年,，在3英寸晶圓上制造了SiC二極管

　　·2007年開始量產(chǎn)第一代SiC二極管

　　碳化硅的發(fā)展藍圖

　　2009年,，SiC發(fā)展史翻開一個重要篇章，ST推出其首個SiC MOSFET樣片,，為功率器件的大幅改進打開了大門,，成為SiC歷史上的一個重要的里程碑。五年后,，ST制造了第一代SiC MOSFET,。由于前期的投入，此后一切都進展神速,。到2017年,，也就是第一代MOSFET問世三年后，ST發(fā)布了電阻率降低一半以上的第二代MOSFET,。2020年,，推出了第三代產(chǎn)品，延續(xù)這一發(fā)展勢頭,。到2016年,，ST升級到6英寸晶圓，并已計劃在8英寸晶圓上生產(chǎn)SiC晶體管,。

　　碳化硅：在現(xiàn)今十分重要的原因

　　贏得信任的最佳方式

　　ST圣卡塔尼亞工廠躋身世界上最大的SiC晶圓廠之列

　　從SiC的研發(fā)歷史來看,，率先掃清基本障礙具有重要意義。作為用SiC襯底制造半導(dǎo)體的先驅(qū),，ST提出了新的可以生產(chǎn)出更多更好的SiC器件的解決方案,。此外，ST的卡塔尼亞工廠躋身世界上最大的SiC晶圓廠之列,，作為市場上領(lǐng)先的SiC器件制造商,。ST擁有從150mm晶圓升級到200mm晶圓的制造設(shè)備。

　　目前ST在卡塔尼亞（意大利）和宏茂橋（新加坡）的兩條150mm晶圓生產(chǎn)線正在量產(chǎn)碳化硅旗艦產(chǎn)品,，深圳（中國）和Bouskoura（摩洛哥）后工序廠負責封裝測試,。通過ST碳化硅公司（前身為Norstel A.B.,，ST于2019年收購），ST的目標是,，到2024年采購內(nèi)部SiC晶圓的占比達到40%以上,，其余的SiC晶圓從其他供應(yīng)商處采購。

　　創(chuàng)造良性循環(huán)

　　先發(fā)優(yōu)勢還能為先行企業(yè)創(chuàng)造一個良性循環(huán),。隨著難題得到解決,，產(chǎn)量逐漸提高，ST有機會與客戶展開技術(shù)合作,，例如,，新興的人氣頗高的電動汽車迅速采納了ST的SiC器件，客戶給予的反饋讓ST能夠進一步優(yōu)化制造工藝,，改善產(chǎn)品的電氣性能,，以推出更高效、更穩(wěn)健的產(chǎn)品,，進而提高產(chǎn)品的采用率,，形成一個周而復(fù)始的良性循環(huán)。現(xiàn)在,，ST正在為客戶提供額定電壓1200 V,、電阻率3.3 mΩ x cm2的SiC MOSFET。

　　碳化硅：工程師的未來期望

　　硅（SI）,、碳化硅（SiC），以及氮化鎵（GaN）

　　在討論SiC的發(fā)展前景時,，工程師須考慮到寬帶隙晶體管的大背景,。的確，隨著GaN的出現(xiàn),，設(shè)計者到底應(yīng)該如何看待SiC,？答案與每種材料的電性能相關(guān)。就像SiC不能代替Si一樣,，GaN也不能代替SiC,，雖然在應(yīng)用上可能有一些交叉，但在大多數(shù)應(yīng)用中,，每種材料都賦能新的設(shè)計,，因此，這三種材料是優(yōu)勢互補的關(guān)系,。在過去的25年里,，ST在SiC方面獲得70項專利，還證明了這項新技術(shù)根本不會威脅到Si,。

　　今天和未來的工程師必須了解Si,、SiC和GaN在半導(dǎo)體行業(yè)中所扮演的角色,，例如，SiC在動力電機逆變器或汽車DC-DC變換器中大放異彩,，這些應(yīng)用的總線電壓為400 V或800 V,，分別需要600 V和1200 V的 MOSFET。

　　此外,，SiC更容易驅(qū)動,，由于熱特性好，SiC比GaN更耐高溫,，而且,，動力電機逆變器無法享受GaN的更高開關(guān)頻率的好處，所以,，汽車設(shè)計者更傾向于選用SiC,。另一方面，開發(fā)團隊目前正在用GaN設(shè)計電壓較低（在100v到600v之間）的應(yīng)用,。此外,，在一些工業(yè)或消費類應(yīng)用中，GaN更快的開關(guān)速度對提高能效的作用顯著,。同樣,，當企業(yè)不能從GaN或SiC的更好的能效獲益時，硅基器件仍然是一個相對適合的選擇,。

　　邁入新時代

　　經(jīng)過25年的投入與發(fā)展,， SiC變得越來越成熟。因此,，業(yè)界不會看到電阻率像以前那樣大幅下降,，但會看到更穩(wěn)健可靠的產(chǎn)品。隨著ST晶圓廠試驗更大的晶圓和新工藝,，成本將繼續(xù)下降,。ST正在投資研發(fā)SiC襯底技術(shù)，提高質(zhì)量,，優(yōu)化產(chǎn)能,，業(yè)界可以期待更高的產(chǎn)能和更低的成本，這將大幅推動SiC采用率的提升,。