半導(dǎo)體是電子電路中最常用的元件之一，具有高性能、可靠性和低成本。通常用于制造集成電路的半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)包括一系列照相和化學(xué)處理步驟，最終在純半導(dǎo)體材料晶片上生產(chǎn)電子電路。盡管硅仍然是最廣泛使用的半導(dǎo)體材料，但其他半導(dǎo)體（如寬帶隙材料）在幾個(gè)重要應(yīng)用中的性能優(yōu)于硅。

環(huán)境問題、州法規(guī)和消費(fèi)者壓力正在推動(dòng)全球汽車電氣化競(jìng)賽，因?yàn)樗岣吡?a target="_blank">電力電子子系統(tǒng)的功率密度，同時(shí)降低了其總尺寸、重量和成本。其中一種寬帶隙半導(dǎo)體碳化硅 (SiC)已成為電動(dòng)汽車 (EV) 最受歡迎的技術(shù)加速器。開發(fā)人員必須滿足電動(dòng)汽車對(duì)更長(zhǎng)續(xù)航里程和更快充電時(shí)間的需求，同時(shí)盡可能降低車輛的生產(chǎn)成本。這些因素正在推動(dòng)市場(chǎng)轉(zhuǎn)向使用 SiC 器件來減小功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的尺寸和重量。

許多公司已經(jīng)對(duì) SiC 晶圓技術(shù)進(jìn)行了審查和投資，以使開發(fā)計(jì)劃與未來幾年在電動(dòng)汽車和新能源等眾多領(lǐng)域?qū)?SiC 晶圓的需求保持一致。X-Trinsic 是一家初創(chuàng)公司，致力于提供專注于 SiC 晶圓的工藝服務(wù)，同時(shí)還幫助提高基于 SiC 的設(shè)備的采用率。

Robert Rhoades 是X-Trinsic的總裁兼首席技術(shù)官，該公司成立的明確目的是為 SiC 市場(chǎng)提供服務(wù)。他為我們提供了有關(guān) SiC 市場(chǎng)和技術(shù)的有趣信息和評(píng)論。

X-Trinsic 的 Robert Rhoades

電力電子報(bào)：目前哪些 SiC 產(chǎn)品推動(dòng)了市場(chǎng)的最大需求？

Robert Rhoades：目前增長(zhǎng)最快的 SiC 產(chǎn)品是用于功率調(diào)節(jié)的二極管和 MOSFET，尤其是那些組裝到電動(dòng)汽車功率逆變器模塊中的產(chǎn)品。主要 SiC 生產(chǎn)商最近發(fā)布的新聞稿中強(qiáng)調(diào)了一些為 EV 提供模塊的長(zhǎng)期合同。

PEN：在此類產(chǎn)品的開發(fā)過程中遇到了哪些具體的困難或挑戰(zhàn)？

羅德斯：在嘗試制造器件之前，一些基本挑戰(zhàn)與 SiC 晶圓的生長(zhǎng)和加工有關(guān)。首先，SiC在大氣壓下不具有熔融液態(tài)，因此通常會(huì)直接從固態(tài)升華為氣態(tài)。這意味著與硅或其他半導(dǎo)體材料不同，SiC 晶錠不能從熔體中拉出或在坩堝中精煉。它必須通過氣相外延在晶種上生長(zhǎng)，這基本上一次完成一個(gè)原子層。大約需要 10 天才能長(zhǎng)出足夠厚的晶體以生產(chǎn)大約 25 到 35 個(gè)晶片。接下來的一系列步驟通常稱為晶圓加工，如下圖所示：切片、邊緣研磨、整形（通過金剛石研磨或表面研磨），然后拋光以達(dá)到近乎完美的表面光潔度。碳化硅非常堅(jiān)硬（僅次于金剛石）和惰性，因此這些工藝步驟中的每一個(gè)都必須專門針對(duì)這種材料開發(fā)，并且不能簡(jiǎn)單地從用于硅或其他半導(dǎo)體的類似工藝中進(jìn)行調(diào)整。只有這樣才能開始器件制造，這通常基于與大多數(shù)其他半導(dǎo)體器件相同的光刻、沉積和蝕刻技術(shù)。然而，必須經(jīng)常為 SiC 重新設(shè)計(jì)工藝設(shè)備和配方，至少部分原因是 SiC 晶圓是半透明的，并且大多數(shù)自動(dòng)化工藝設(shè)備中使用的晶圓傳感器無法“看到”清晰的晶圓。只有這樣才能開始器件制造，這通常基于與大多數(shù)其他半導(dǎo)體器件相同的光刻、沉積和蝕刻技術(shù)。然而，必須經(jīng)常為 SiC 重新設(shè)計(jì)工藝設(shè)備和配方，至少部分原因是 SiC 晶圓是半透明的，并且大多數(shù)自動(dòng)化工藝設(shè)備中使用的晶圓傳感器無法“看到”清晰的晶圓。只有這樣才能開始器件制造，這通常基于與大多數(shù)其他半導(dǎo)體器件相同的光刻、沉積和蝕刻技術(shù)。然而，必須經(jīng)常為 SiC 重新設(shè)計(jì)工藝設(shè)備和配方，至少部分原因是 SiC 晶圓是半透明的，并且大多數(shù)自動(dòng)化工藝設(shè)備中使用的晶圓傳感器無法“看到”清晰的晶圓。

碳化硅晶片加工

PEN：分析師認(rèn)為全碳化硅模塊是正確的方向，將在未來占據(jù)碳化硅器件市場(chǎng)的很大一部分。你怎么看待這件事？您如何看待當(dāng)今全 SiC 模塊的發(fā)展?fàn)顩r？

Rhoades：我也相信 SiC 模塊將成為未來市場(chǎng)的一個(gè)強(qiáng)大部分，主要由電動(dòng)汽車制造商推動(dòng)。與電力逆變器相比，世界上大多數(shù)汽車設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更熟悉內(nèi)燃機(jī)和變速器，以將電池組中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。能夠設(shè)計(jì)和供應(yīng)高效模塊的上游供應(yīng)商可能比僅銷售 SiC 組件的供應(yīng)商具有顯著優(yōu)勢(shì)。

PEN：目前的技術(shù)需要哪些改進(jìn)？

Rhoades：需要的改進(jìn)似乎分為三類。首先，SiC 晶體質(zhì)量仍然很難控制，并且與許多晶片顯示出微管、夾雜物或其他形式的晶體缺陷有些不一致。種植者正在努力改進(jìn)，但物理學(xué)需要一段時(shí)間才能弄清楚。其次，晶圓和設(shè)備的供應(yīng)鏈產(chǎn)能需要在未來幾年大幅增加，以滿足預(yù)計(jì)的需求。第三，每片晶圓的成本仍需降低，這將使更多的應(yīng)用具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。隨著整個(gè)行業(yè)的產(chǎn)能增加和制造效率的提高，這種情況很可能會(huì)發(fā)生。

PEN：公司如何評(píng)估 SiC MOSFET 和 IGBT 之間的競(jìng)爭(zhēng)，尤其是汽車市場(chǎng)？

Rhoades：大多數(shù)競(jìng)爭(zhēng)性評(píng)估都是在內(nèi)部完成的，并且是每個(gè)公司專有的。功能模塊可以使用 SiC MOSFET 或 IGBT 構(gòu)建，但由 SiC 制成的模塊的物理重量和體積通常要小 20% 到 40%，這對(duì)于 EV 續(xù)航里程來說是一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。有源 SiC 器件的正向電阻 (R DS(on) ) 也低得多，可將內(nèi)部功率損耗降低 20% 至 30%，并進(jìn)一步擴(kuò)大范圍。SiC 還可以實(shí)現(xiàn)約 3 倍至 4 倍的充電時(shí)間。這些在續(xù)航里程和充電時(shí)間方面的綜合優(yōu)勢(shì)似乎正在推動(dòng)大多數(shù)電動(dòng)汽車公司在其車載電源系統(tǒng)中使用 SiC MOSFET 而不是硅 IGBT。

PEN：如何更快地降低 SiC 晶圓價(jià)格？

Rhoades：這是一個(gè)很難回答的問題。每個(gè)晶圓供應(yīng)商都傾向于專注于他們認(rèn)為隨著時(shí)間的推移最有可能降低成本的制造順序的任何方面。有些人會(huì)專注于更快的生長(zhǎng)配方，有些人會(huì)嘗試種植更高的晶錠，有些人會(huì)嘗試改進(jìn)切片操作，等等。隨著時(shí)間的推移，集體努力將導(dǎo)致整個(gè)行業(yè)逐步降價(jià)，但這不太可能來自任何一個(gè)特定因素。

筆：包裝呢？

Rhoades：必須設(shè)計(jì) SiC 器件的封裝以處理預(yù)期應(yīng)用的電壓和功率水平。這通常也是模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。

PEN：有幾家公司在 SiC 技術(shù)上投入巨大。來自競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)或市場(chǎng)預(yù)測(cè)的這種大規(guī)模擴(kuò)張的主要風(fēng)險(xiǎn)是什么？

Rhoades：許多分析師和從多個(gè)角度來看，對(duì) SiC 市場(chǎng)的預(yù)測(cè)都非常強(qiáng)勁，因此許多人可能會(huì)大大夸大需求的風(fēng)險(xiǎn)似乎很小。至于競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)，用于功率應(yīng)用的三種主要半導(dǎo)體是硅、SiC 和 GaN。如下圖所示（來自英飛凌，但在網(wǎng)上可以找到許多類似的圖表），每種材料在不同的頻率和功率范圍內(nèi)都能提供最佳性能。當(dāng)然，有一些重疊，但供應(yīng)鏈和競(jìng)爭(zhēng)力最終會(huì)在大贏家和大贏家之間做出選擇。總體而言，需求如此強(qiáng)勁，很難看出這些材料中的任何一種將如何成為輸家。

硅、SiC 和 GaN（來源：英飛凌科技）

PEN：碳化硅晶圓服務(wù)的重點(diǎn)是什么？

Rhoades：隨著過去幾年所有關(guān)于 SiC 對(duì) EV 的好處以及 SiC 晶圓供應(yīng)短缺的宣傳，許多公司都在增長(zhǎng)能力上投入了大量資金。有幾家新進(jìn)入者也將增長(zhǎng)能力帶到了網(wǎng)上，我們認(rèn)為該行業(yè)現(xiàn)在存在不平衡。生長(zhǎng) SiC 圓盤的總?cè)萘砍^了目前將它們變成晶圓的能力。此外，晶圓產(chǎn)能幾乎完全屬于大型企業(yè)內(nèi)部，因此非常需要獨(dú)立公司提供晶圓服務(wù)。這正是 X-Trinsic 成立的目的，我們期待與冰球種植者和設(shè)備制造商合作，提供他們所需的 SiC 晶圓技術(shù)。

SiC 晶圓（和器件）的制造涉及一系列困難的工藝步驟。供應(yīng)商數(shù)量的限制，以及基礎(chǔ)材料和生產(chǎn)方法的純度和缺陷密度，與該行業(yè)之前在制造更大硅片時(shí)面臨的困難相似。吸引力在于，與某些應(yīng)用中的硅基器件相比，SiC 等寬帶隙半導(dǎo)體可以提供顯著的性能改進(jìn)。在功率器件中尤其如此，它們可以在更高的電壓、頻率和溫度下運(yùn)行，同時(shí)仍保持出色的可靠性。因此，SiC 正在為功率器件的高性能設(shè)定新標(biāo)準(zhǔn)。

審核編輯 黃昊宇