微软公司宣布不再支持你正在使用的 IE浏览器,这会严重影响浏览网页,请使用微软最新的Edge浏览器
您好, 登录| 注册|
子站:
产品/技术
应用分类

碳化硅迈入新时代,ST 25年研发突破技术挑战

2021-08-17 17:28 来源:意法半导体 编辑:电源网

1

1996年,ST开始与卡塔尼亚大学合作研发碳化硅(SiC),今天,SiC正在彻底改变电动汽车。

为了庆祝ST研发SiC 25周年,我们决定探讨 SiC在当今半导体行业中所扮演的角色,ST的碳化硅研发是如何取得成功的,以及未来发展方向。Exawatt的一项研究指出,到2030年, 70%的乘用车将采用SiC MOSFET。这项技术也正在改变其他市场,例如,太阳能逆变器、储能系统、服务器电源、充电站等。因此,了解SiC过去25年的发展历程是极其重要的,对今天和明天的工程师大有裨益。

碳化硅:半导体行业如何克服技术挑战

SiC的发展历史不仅引人入胜,而且情节紧张激烈,因为捷足先登才能取得先机。SiC特性在20世纪初就已经确立,第一个SiC发光二极管追溯到1907年。物理学家知道,SiC的带隙更宽 ,比硅宽约2ev,这意味着在室温下SiC器件的临界场强是硅基器件的5倍到10倍。因此,新技术可以极大地提高电力转换效率,同时耐受更高的电压和更恶劣的作业状况。

碳化硅发展的拦路虎

阻碍SiC的发展的难题是,直到1996年,都没有人知道如何在半导体晶圆厂实现SiC商用,因为SiC衬底缺陷太多,而且烤箱的高温不能兼容碳化硅材料。此外,半导体行业又耗费了十年时间,才能在两英寸以上的晶圆上制造SiC器件,在大晶圆上加工芯片是降低成本的关键。尽管困难重重,ST还是先行一步,投入巨资研发SiC,并与学术界展开合作,成功地克服了所有这些挑战。

·2002年5月,ST成功研发出了肖特基SiC二极管

·2006年,在3英寸晶圆上制造了SiC二极管

·2007年开始量产第一代SiC二极管

碳化硅的发展蓝图

2009年,SiC发展史翻开一个重要篇章,ST推出其首个SiC MOSFET样片,为功率器件的大幅改进打开了大门,成为SiC历史上的一个重要的里程碑。五年后,ST制造了第一代SiC MOSFET。由于前期的投入,此后一切都进展神速。到2017年,也就是第一代MOSFET问世三年后,ST发布了电阻率降低一半以上的第二代MOSFET。2020年,推出了第三代产品,延续这一发展势头。到2016年,ST升级到6英寸晶圆,并已计划在8英寸晶圆上生产SiC晶体管。

碳化硅:在现今十分重要的原因

赢得信任的最佳方式

2

ST圣卡塔尼亚工厂跻身世界上最大的SiC晶圆厂之列

从SiC的研发历史来看,率先扫清基本障碍具有重要意义。作为用SiC衬底制造半导体的先驱,ST提出了新的可以生产出更多更好的SiC器件的解决方案。此外,ST的卡塔尼亚工厂跻身世界上最大的SiC晶圆厂之列,作为市场上领先的SiC器件制造商。ST拥有从150mm晶圆升级到200mm晶圆的制造设备。

目前ST在卡塔尼亚(意大利)和宏茂桥(新加坡)的两条150mm晶圆生产线正在量产碳化硅旗舰产品,深圳(中国)和Bouskoura(摩洛哥)后工序厂负责封装测试。通过ST碳化硅公司(前身为Norstel A.B.,ST于2019年收购),ST的目标是,到2024年采购内部SiC晶圆的占比达到40%以上,其余的SiC晶圆从其他供应商处采购。

创造良性循环

先发优势还能为先行企业创造一个良性循环。随着难题得到解决,产量逐渐提高,ST有机会与客户展开技术合作,例如,新兴的人气颇高的电动汽车迅速采纳了ST的SiC器件,客户给予的反馈让ST能够进一步优化制造工艺,改善产品的电气性能,以推出更高效、更稳健的产品,进而提高产品的采用率,形成一个周而复始的良性循环。现在,ST正在为客户提供额定电压1200 V、电阻率3.3 mΩ x cm2的SiC MOSFET。

碳化硅:工程师的未来期望

硅(SI)、碳化硅(SiC),以及氮化镓(GaN)

在讨论SiC的发展前景时,工程师须考虑到宽带隙晶体管的大背景。的确,随着GaN的出现,设计者到底应该如何看待SiC?答案与每种材料的电性能相关。就像SiC不能代替Si一样,GaN也不能代替SiC,虽然在应用上可能有一些交叉,但在大多数应用中,每种材料都赋能新的设计,因此,这三种材料是优势互补的关系。在过去的25年里,ST在SiC方面获得70项专利,还证明了这项新技术根本不会威胁到Si。

今天和未来的工程师必须了解Si、SiC和GaN在半导体行业中所扮演的角色,例如,SiC在动力电机逆变器或汽车DC-DC变换器中大放异彩,这些应用的总线电压为400 V或800 V,分别需要600 V和1200 V的 MOSFET。

此外,SiC更容易驱动,由于热特性好,SiC比GaN更耐高温,而且,动力电机逆变器无法享受GaN的更高开关频率的好处,所以,汽车设计者更倾向于选用SiC。另一方面,开发团队目前正在用GaN设计电压较低(在100v到600v之间)的应用。此外,在一些工业或消费类应用中,GaN更快的开关速度对提高能效的作用显著。同样,当企业不能从GaN或SiC的更好的能效获益时,硅基器件仍然是一个相对适合的选择。

迈入新时代

经过25年的投入与发展, SiC变得越来越成熟。因此,业界不会看到电阻率像以前那样大幅下降,但会看到更稳健可靠的产品。随着ST晶圆厂试验更大的晶圆和新工艺,成本将继续下降。ST正在投资研发SiC衬底技术,提高质量,优化产能,业界可以期待更高的产能和更低的成本,这将大幅推动SiC采用率的提升。

声明:本内容为作者独立观点,不代表电源网。本网站原创内容,如需转载,请注明出处;本网站转载的内容(文章、图片、视频)等资料版权归原作者所有。如我们采用了您不宜公开的文章或图片,未能及时和您确认,避免给双方造成不必要的经济损失,请电邮联系我们,以便迅速采取适当处理措施;欢迎投稿,邮箱∶editor@netbroad.com。

微信关注
技术专题 更多>>
智慧生活 创新未来
当5G遇到物联网,将会带来哪些惊喜?

头条推荐

电子行业原创技术内容推荐
客服热线
服务时间:周一至周五9:00-18:00
微信关注
免费技术研讨会
获取一手干货分享

互联网违法不良信息举报

Reporting Internet Illegal and Bad Information
editor@netbroad.com
400-003-2006