半導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體器件的生產(chǎn)包括一系列照相和化學處理步驟，最終在純半導體材料晶片上生產(chǎn)電子電路。盡管硅仍然是最廣泛使用的半導體材料，但其他半導體（如寬帶隙材料）在幾個重要應(yīng)用中的性能優(yōu)于硅。

環(huán)境問題、州法規(guī)和消費者壓力正在推動全球汽車電氣化競賽，因為它提高了電力電子子系統(tǒng)的功率密度，同時降低了其總尺寸、重量和成本。其中一種寬帶隙半導體碳化硅 (SiC)已成為電動汽車 (EV) 最受歡迎的技術(shù)加速器。開發(fā)人員必須滿足電動汽車對更長續(xù)航里程和更快充電時間的需求，同時盡可能降低車輛的生產(chǎn)成本。這些因素正在推動市場轉(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 SiC 晶圓技術(shù)進行了審查和投資，以使開發(fā)計劃與未來幾年在電動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 市場提供服務(wù)。他為我們提供了有關(guān) SiC 市場和技術(shù)的有趣信息和評論。

X-Trinsic 的 Robert Rhoades

電力電子報：目前哪些 SiC 產(chǎn)品推動了市場的最大需求？

Robert Rhoades：目前增長最快的 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)布的新聞稿中強調(diào)了一些為 EV 提供模塊的長期合同。

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)，因此通常會直接從固態(tài)升華為氣態(tài)。這意味著與硅或其他半導體材料不同，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，這基本上一次完成一個原子層。大約需要 10 天才能長出足夠厚的晶體以生產(chǎn)大約 25 到 35 個晶片。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），然后拋光以達到近乎完美的表面光潔度。碳化硅非常堅硬（僅次于金剛石）和惰性，因此這些工藝步驟中的每一個都必須專門針對這種材料開發(fā)，并且不能簡單地從用于硅或其他半導體的類似工藝中進行調(diào)整。只有這樣才能開始器件制造，這通?；谂c大多數(shù)其他半導體器件相同的光刻、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)碳化硅器件市場的很大一部分。你怎么看待這件事？您如何看待當今全 SiC 模塊的發(fā)展狀況？

Rhoades：我也相信 SiC 模塊將成為未來市場的一個強大部分，主要由電動汽車制造商推動。與電力逆變器相比，世界上大多數(shù)汽車設(shè)計團隊更熟悉內(nèi)燃機和變速器，以將電池組中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電來驅(qū)動電機。能夠設(shè)計和供應(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。

PEN：目前的技術(shù)需要哪些改進？

Rhoades：需要的改進似乎分為三類。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，但物理學需要一段時間才能弄清楚。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)用具有成本競爭力。隨著整個行業(yè)的產(chǎn)能增加和制造效率的提高，這種情況很可能會發(fā)生。

PEN：公司如何評估 SiC MOSFET 和 IGBT 之間的競爭，尤其是汽車市場？

Rhoades：大多數(shù)競爭性評估都是在內(nèi)部完成的，并且是每個公司專有的。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%，這對于 EV 續(xù)航里程來說是一個顯著優(yōu)勢。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%，并進一步擴大范圍。SiC 還可以實現(xiàn)約 3 倍至 4 倍的充電時間。這些在續(xù)航里程和充電時間方面的綜合優(yōu)勢似乎正在推動大多數(shù)電動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 晶圓價格？

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

筆：包裝呢？

Rhoades：必須設(shè)計 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。來自競爭技術(shù)或市場預(yù)測的這種大規(guī)模擴張的主要風險是什么？

Rhoades：許多分析師和從多個角度來看，對 SiC 市場的預(yù)測都非常強勁，因此許多人可能會大大夸大需求的風險似乎很小。至于競爭技術(shù)，用于功率應(yīng)用的三種主要半導體是硅、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。當然，有一些重疊，但供應(yīng)鏈和競爭力最終會在大贏家和大贏家之間做出選擇。總體而言，需求如此強勁，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)的重點是什么？

Rhoades：隨著過去幾年所有關(guān)于 SiC 對 EV 的好處以及 SiC 晶圓供應(yīng)短缺的宣傳，許多公司都在增長能力上投入了大量資金。有幾家新進入者也將增長能力帶到了網(wǎng)上，我們認為該行業(yè)現(xiàn)在存在不平衡。生長 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 等寬帶隙半導體可以提供顯著的性能改進。在功率器件中尤其如此，它們可以在更高的電壓、頻率和溫度下運行，同時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)定新標準。

審核編輯 黃昊宇