一家晶體生長設(shè)備制造商轉(zhuǎn)向了材料制造，為SiC電力電子器件的生產(chǎn)創(chuàng)造了更具競爭力的供應(yīng)鏈。

SANTHANARAGHAVAN PARTHASARATHY，GT ADVANCED TECHNOLOGIES

硅是整個電子行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的材料，幾十年來一直主導(dǎo)著電力電子產(chǎn)品。但它的影響力正在下降。無論是以哪種形式轉(zhuǎn)換功率的硅功率器件（如AC-DC整流器、AC-AC變壓器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和DC-AC逆變器）都在努力滿足更高額定功率、更快開關(guān)頻率和更高工作溫度的要求。若是不能滿足，則會產(chǎn)生不良后果，因為這樣一來電路就需要額外的冷卻，占用更多空間，同時它們需要大型 '無源 '元件，如電感和電容器。

解決所有這些缺點的是有著更寬帶隙的一組材料，如SiC。更寬的帶隙是一個奇妙的屬性，可帶來多種好處。對于SiC來說，其帶隙是硅的三倍，提供的擊穿場是現(xiàn)有硅材料的十倍（見表1）。SiC器件的其他優(yōu)點是，能在遠高于硅等效器件的頻率下實現(xiàn)有效開關(guān)，從而可以使用小得多的無源器件，并且導(dǎo)熱率比硅好三倍。憑借所有這些特性，SiC掌握了更小、更輕電路的關(guān)鍵，同時這種電路有著更高的效率，能承受更高的電壓，但對熱管理的要求卻降低了。

隨著市場和應(yīng)用推動 '萬物電氣化 '，對這種電路的需求正在增長。雖然這一點在電動汽車行業(yè)最為明顯，該行業(yè)正在推動傳統(tǒng)使用的硅基電力電子器件向SiC過渡，但其他行業(yè)也在受益于這種寬帶隙材料。這些行業(yè)包括：其他運輸方式中的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如電氣化火車、船舶和飛機；可再生能源應(yīng)用，包括太陽能光伏發(fā)電和風(fēng)能；以及工業(yè)/商業(yè)應(yīng)用，如服務(wù)器電源、數(shù)據(jù)中心用的不間斷電源、電機驅(qū)動器和醫(yī)療成像系統(tǒng)等。

除了所有這些全SiC器件外，SiC還為各種基于GaN的器件提供了基礎(chǔ)。高頻GaN-on-SiC晶體管被應(yīng)用于5G通信系統(tǒng)中，如基站、數(shù)字電視、雷達和光電器件等。在5G應(yīng)用中，氮化鎵外延層和半絕緣SiC襯底的組合可制造出優(yōu)于硅LDMOS的器件，并提供更高的容量和更好的覆蓋范圍。從硅LDMOS切換到GaN-on-SiC使每座基站的用戶數(shù)增加了一倍，并將數(shù)據(jù)傳輸速度提高了一個數(shù)量級以上。 

襯底供應(yīng)

隨著人們對SiC優(yōu)越性能的認(rèn)識不斷加深，對這種材料制成的電力電子器件的需求正在快速上升。只有少數(shù)公司通過生長高質(zhì)量的SiC晶體來滿足這一需求，這就引出了一個問題：為什么不批量生產(chǎn)SiC晶體？

答案是多方面的，與生長SiC的挑戰(zhàn)有關(guān)。這種寬帶隙材料無法用制造硅熔體提拉法生長工藝來制造。這是因為在正常條件下無法實現(xiàn)化學(xué)計量的熔化。在大約2100℃時，SiC不是熔化而是升華。因此，SiC的生長需要一個氣相晶體生長過程——通常是物理氣相傳輸或升華技術(shù)。

氣相生長和熔融生長的晶體生長步驟基本相同。該過程首先是通過升華或熔融產(chǎn)生反應(yīng)物，并利用特定的溫度梯度將其輸送到生長表面。在生長表面發(fā)生吸附后（稱為過飽和），發(fā)生成核作用，隨后發(fā)生晶體生長，該過程通過氣固界面或固液界面的推進而進行。

SiC和硅晶錠生長過程中使用的工藝差異是這些襯底成本、尺寸和可用性差異背后的原因。對于硅，在最先進的晶體生長設(shè)備中生產(chǎn)的硅錠直徑為450毫米，長度超過2米，生長速度約為100毫米/小時。通過使用10毫米×10毫米截面的薄籽晶開始生長。

相比之下，SiC晶體的生長直徑為150毫米，厚度最大為50毫米，生長速度要慢得多——生長速度為100-300微米/小時。這個過程是從直徑150毫米以上、厚度1-2毫米的起始籽晶開始的。

對于任何想要制造SiC襯底的公司來說，一個重要的進入障礙是，啟動該過程所需的高質(zhì)量籽晶，商業(yè)上無法獲得。試圖通過使用商業(yè)襯底作為塊狀晶體生長的籽晶來解決這個問題是不可能的，因為厚度不夠。因此，這個市場的任何新參與者都必須花費大量的開發(fā)時間和資源來生長高質(zhì)量的籽晶。

除了生長速度緩慢和晶體尺寸的限制外，氣相生長過程中與產(chǎn)量有關(guān)的困難也是SiC晶體的生產(chǎn)成本遠遠高于硅晶體的原因。然而，盡管襯底成本高得多，即使是今天，一個電路設(shè)計者從使用硅器件轉(zhuǎn)為使用SiC制造的器件，也能在系統(tǒng)層面降低5%-10%的成本。因此，這種材料已經(jīng)可以收回成本，而且隨著時間的推移，SiC襯底和器件的成本會大幅下降，其贏利空間將會越來越大。請注意，除了節(jié)約系統(tǒng)成本外，SiC器件還能實現(xiàn)更小、更輕的系統(tǒng)，這主要是由于其更高的功率密度（節(jié)約成本的細(xì)節(jié)見圖1）。

與SiC相關(guān)的另一個挑戰(zhàn)與這種材料的晶型多有關(guān)。有三種基本晶體結(jié)構(gòu)——立方體（3C），菱形(15R)和六邊形(2H、4H、6H等)——而多型體的晶體結(jié)構(gòu)已超過200種。用于電力電子的SiC 4H型晶體約占SiC市場的60%。器件是在n型SiC上制造的，這種n型SiC是通過摻入氮制成的。這導(dǎo)致電阻率在0.015至0.025Ωcm范圍內(nèi)（通常為0.020-0.022Ωcm）。用于制造射頻器件的襯底銷售額占SiC市場的40%。這些器件涉及在4H半絕緣襯底上生長GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過不摻雜或摻雜釩生產(chǎn)，它們的電阻率超過10,000Ωcm。在光電器件應(yīng)用中則采用6H晶型。

SiC的質(zhì)量落后于硅。后者可以無缺陷地生長，而SiC則存在與氣相生長、多型和螺旋生長機制相關(guān)的基本問題。部分問題在于，在SiC中原子從正確的位置遷移走所需的堆垛層錯能量遠低于硅。這就導(dǎo)致了廣泛的缺陷，包括微管、碳夾雜物和擴展的晶體缺陷，如螺位錯、刃位錯、基平面位錯和堆垛層錯。減少這些缺陷并不容易，需要結(jié)合設(shè)備專業(yè)知識和工藝知識。僅改善這些問題中的一個而不顧其它，也不足以實現(xiàn)高增長市場所要求的結(jié)果。

加快實現(xiàn)成本平價

在GT公司，我們已經(jīng)開發(fā)并改進了一種高產(chǎn)量晶體生長工藝，用于大批量、低成本的碳化硅晶體生產(chǎn)，幫助我們實現(xiàn)加速硅和碳化硅成本均等化的主要目標(biāo)，并大大增加這種高需求材料的供應(yīng)。

我們的努力使我們能夠使用主流生產(chǎn)工藝生產(chǎn)直徑150毫米的SiC襯底。由于大直徑晶圓的供應(yīng)是降低器件成本和提高芯片良率的關(guān)鍵，我們也已經(jīng)開始了200毫米晶體的開發(fā)工作。

SiC襯底的價格取決于單晶爐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的成本，例如冷卻水供應(yīng)、不間斷電源的成本和需求、占用的空間、排氣系統(tǒng)和HVAC等因素。產(chǎn)生SiC升華所需的高溫有兩種選擇：一種是電阻加熱爐，通過輻射將熱量從加熱器傳遞到坩堝；另一種是坩堝作為加熱器感應(yīng)加熱。電阻爐的缺點之一是固定成本高，這是由設(shè)備資本支出、大型的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和體積導(dǎo)致的。如果使用這種加熱形式，通過操作和技術(shù)改進來降低成本的機會有限。而使用感應(yīng)法，節(jié)省成本的預(yù)期要大得多。由于較低的資本支出、較高的生產(chǎn)率、較低的電耗和較小的體積，使用者需要負(fù)擔(dān)的固定成本更低。

出于上述原因，我們采用了感應(yīng)法，我們將自己定位為當(dāng)今市場上成本方面的領(lǐng)導(dǎo)者，并擁有進一步改進的巨大空間。憑借廣泛的熱場建模技術(shù)，以及卓越的設(shè)備設(shè)計和過程控制創(chuàng)新，我們的生產(chǎn)過程能夠?qū)崿F(xiàn)高產(chǎn)量、高質(zhì)量和低成本。我們生產(chǎn)的晶體缺陷（包括微管缺陷和其他晶體缺陷）很低，并且由于具有很高的批次間重復(fù)性，我們的生產(chǎn)方式經(jīng)濟高效。 

我們還能夠利用已建立的供應(yīng)鏈資源、設(shè)備設(shè)計和制造能力以及工藝專長。這些優(yōu)勢使我們處于一個很好的位置，可以根據(jù)需求迅速擴大規(guī)模，并隨著時間的推移進一步改進我們的生產(chǎn)工藝。這將穩(wěn)步提升我們在提供低成本、大批量SiC材料供應(yīng)方面的競爭力。 

SiC襯底生產(chǎn)所面臨的挑戰(zhàn)不僅限于晶體生長。由于生長過程中產(chǎn)生的內(nèi)在熱應(yīng)力和材料的高硬度（僅次于金剛石），將晶柱加工成晶片并不容易。襯底生產(chǎn)首先要將SiC晶體滾圓到特定的直徑，然后使用金剛石漿料、金剛石砂線或激光切割進行多線鋸切。隨后進行表面的粗磨和精磨、倒邊和化學(xué)機械拋光。

表1.鍺、硅、砷化鎵和碳化硅的物理特性。

器件制造商將把開盒即用（epi-ready）襯底，裝入CVD室，將其加熱到1600℃，然后用丙烷作為碳源，用硅烷或三氯硅烷作為硅源，來生長外延層。根據(jù)預(yù)期的器件擊穿電壓，該漂移層的厚度將在5μm和100μm之間（漂移層厚度約為1μm/100V，因此對于11kV的器件，外延層厚度需要超過100μm）。

為了實現(xiàn)優(yōu)異的可靠性，并推動良率和成本的改善，器件生產(chǎn)可能會采用最近的優(yōu)化，如柵極氧化和熱氧化工藝。這些技術(shù)有助于擴大SiC器件的產(chǎn)品組合范圍，其中包括肖特基勢壘二極管、MOSFET、HEMT、MesFET、JFET、共源共柵和BJT，其工作電壓在600V到30kV之間。利用封裝技術(shù)的發(fā)展，如AlN基板上直接鍵合銅和直接鍵合鋁等，還可用SiC器件生產(chǎn)功率模塊。這些模塊可以在超過200℃的溫度下運行。

SiC電力電子器件的供應(yīng)鏈與硅的供應(yīng)鏈明顯不同（圖2）。前者受制于SiC晶體的有限供應(yīng)，這是一個主要的瓶頸，我們正在通過供應(yīng)鏈戰(zhàn)略消除它。相比之下，硅產(chǎn)業(yè)的集成器件制造商(IDMs)則可從多家襯底生產(chǎn)商處購買材料。更為復(fù)雜的是，現(xiàn)有領(lǐng)先的SiC襯底廠商也在生產(chǎn)自己的器件，因此他們與下游客戶產(chǎn)生競爭。

和硅一樣，SiC產(chǎn)業(yè)也需要“純粹的”材料供應(yīng)商。GT的供應(yīng)鏈戰(zhàn)略將使這一點成為可能，從而為現(xiàn)有的硅襯底供應(yīng)商提供機會，將SiC加入到他們的產(chǎn)品組合中，并利用已建立的規(guī)模、成熟的價值鏈以及與購買硅襯底的IDM建立的關(guān)系。同樣，IDM也可以迅速增加晶圓產(chǎn)能，提高其垂直集成度。無論哪種情況，隨著規(guī)模的增加和產(chǎn)業(yè)擺脫對少數(shù)供應(yīng)商的依賴，成本應(yīng)該會迅速下降。

SiC產(chǎn)業(yè)的這種轉(zhuǎn)型將為電力電子產(chǎn)業(yè)帶來巨大成功。如今，單片開盒即用（epi-ready）的150毫米SiC襯底零售價為800~1100美元，占器件成本的很大一部分(圖3給出了一個MOSFET的成本明細(xì))。這種襯底的成本可能會大跌——我們預(yù)計在未來幾年內(nèi)它將降至300美元。降價的關(guān)鍵之一是增加生長晶體的可用厚度，因為運行成本與晶體厚度相對獨立。

其他的驅(qū)動因素是降低資本支出、降低運營成本、提高生產(chǎn)率、加強過程控制和提高工廠良率——晶體生長良率必須提高到98%以上，而晶體制造良率必須超過95%。

我們在SiC晶體生長方面的專業(yè)技術(shù)使我們做出了戰(zhàn)略決策，利用我們在晶體生長設(shè)備和SiC生長方面的知識和經(jīng)驗，并且專注于此。我們正在為全球晶圓生產(chǎn)商提供大量的高品質(zhì)SiC晶體。這種供應(yīng)擴大并加深了SiC晶圓的全球供應(yīng)，有助于降低成本。

功率器件行業(yè)已經(jīng)對這些市場發(fā)展表示歡迎：2019年8月，GTAT與GlobalWafers簽署了一項長期協(xié)議，以供應(yīng)其CrystX SiC晶體，2020年初又與領(lǐng)先的IDM公司安森美半導(dǎo)體簽署了長期供應(yīng)協(xié)議。