SiC 技术：采访 X-Trinsic 的 Robert Rhoades

半导体是电子电路中最常用的元件之一，具有高性能、可靠性和低成本。通常用于制造集成电路的半导体器件的生产包括一系列照相和化学处理步骤，最终在纯半导体材料晶片上生产电子电路。尽管硅仍然是最广泛使用的半导体材料，但其他半导体（如宽带隙材料）在几个重要应用中的性能优于硅。

环境问题、州法规和消费者压力正在推动全球汽车电气化竞赛，因为它提高了电力电子子系统的功率密度，同时降低了其总尺寸、重量和成本。其中一种宽带隙半导体碳化硅 (SiC)已成为电动汽车 (EV) 最受欢迎的技术加速器。开发人员必须满足电动汽车对更长续航里程和更快充电时间的需求，同时尽可能降低车辆的生产成本。这些因素正在推动市场转向使用 SiC 器件来减小功率转换设备的尺寸和重量。

许多公司已经对 SiC 晶圆技术进行了审查和投资，以使开发计划与未来几年在电动汽车和新能源等众多领域对 SiC 晶圆的需求保持一致。X-Trinsic 是一家初创公司，致力于提供专注于 SiC 晶圆的工艺服务，同时还帮助提高基于 SiC 的设备的采用率。

Robert Rhoades 是X-Trinsic的总裁兼首席技术官，该公司成立的明确目的是为 SiC 市场提供服务。他为我们提供了有关 SiC 市场和技术的有趣信息和评论。

X-Trinsic 的 Robert Rhoades

电力电子报：目前哪些 SiC 产品推动了市场的最大需求？

Robert Rhoades：目前增长最快的 SiC 产品是用于功率调节的二极管和 MOSFET，尤其是那些组装到电动汽车功率逆变器模块中的产品。主要 SiC 生产商最近发布的新闻稿中强调了一些为 EV 提供模块的长期合同。

PEN：在此类产品的开发过程中遇到了哪些具体的困难或挑战？

罗德斯：在尝试制造器件之前，一些基本挑战与 SiC 晶圆的生长和加工有关。首先，SiC在大气压下不具有熔融液态，因此通常会直接从固态升华为气态。这意味着与硅或其他半导体材料不同，SiC 晶锭不能从熔体中拉出或在坩埚中精炼。它必须通过气相外延在晶种上生长，这基本上一次完成一个原子层。大约需要 10 天才能长出足够厚的晶体以生产大约 25 到 35 个晶片。接下来的一系列步骤通常称为晶圆加工，如下图所示：切片、边缘研磨、整形（通过金刚石研磨或表面研磨），然后抛光以达到近乎完美的表面光洁度。碳化硅非常坚硬（仅次于金刚石）和惰性，因此这些工艺步骤中的每一个都必须专门针对这种材料开发，并且不能简单地从用于硅或其他半导体的类似工艺中进行调整。只有这样才能开始器件制造，这通常基于与大多数其他半导体器件相同的光刻、沉积和蚀刻技术。然而，必须经常为 SiC 重新设计工艺设备和配方，至少部分原因是 SiC 晶圆是半透明的，并且大多数自动化工艺设备中使用的晶圆传感器无法“看到”清晰的晶圆。只有这样才能开始器件制造，这通常基于与大多数其他半导体器件相同的光刻、沉积和蚀刻技术。然而，必须经常为 SiC 重新设计工艺设备和配方，至少部分原因是 SiC 晶圆是半透明的，并且大多数自动化工艺设备中使用的晶圆传感器无法“看到”清晰的晶圆。只有这样才能开始器件制造，这通常基于与大多数其他半导体器件相同的光刻、沉积和蚀刻技术。然而，必须经常为 SiC 重新设计工艺设备和配方，至少部分原因是 SiC 晶圆是半透明的，并且大多数自动化工艺设备中使用的晶圆传感器无法“看到”清晰的晶圆。

碳化硅晶片加工

PEN：分析师认为全碳化硅模块是正确的方向，将在未来占据碳化硅器件市场的很大一部分。你怎么看待这件事？您如何看待当今全 SiC 模块的发展状况？

Rhoades：我也相信 SiC 模块将成为未来市场的一个强大部分，主要由电动汽车制造商推动。与电力逆变器相比，世界上大多数汽车设计团队更熟悉内燃机和变速器，以将电池组中的直流电转换为交流电来驱动电机。能够设计和供应高效模块的上游供应商可能比仅销售 SiC 组件的供应商具有显着优势。

PEN：目前的技术需要哪些改进？

Rhoades：需要的改进似乎分为三类。首先，SiC 晶体质量仍然很难控制，并且与许多晶片显示出微管、夹杂物或其他形式的晶体缺陷有些不一致。种植者正在努力改进，但物理学需要一段时间才能弄清楚。其次，晶圆和设备的供应链产能需要在未来几年大幅增加，以满足预计的需求。第三，每片晶圆的成本仍需降低，这将使更多的应用具有成本竞争力。随着整个行业的产能增加和制造效率的提高，这种情况很可能会发生。

PEN：公司如何评估 SiC MOSFET 和 IGBT 之间的竞争，尤其是汽车市场？

Rhoades：大多数竞争性评估都是在内部完成的，并且是每个公司专有的。功能模块可以使用 SiC MOSFET 或 IGBT 构建，但由 SiC 制成的模块的物理重量和体积通常要小 20% 到 40%，这对于 EV 续航里程来说是一个显着优势。有源 SiC 器件的正向电阻 (R DS(on) ) 也低得多，可将内部功率损耗降低 20% 至 30%，并进一步扩大范围。SiC 还可以实现约 3 倍至 4 倍的充电时间。这些在续航里程和充电时间方面的综合优势似乎正在推动大多数电动汽车公司在其车载电源系统中使用 SiC MOSFET 而不是硅 IGBT。

PEN：如何更快地降低 SiC 晶圆价格？

Rhoades：这是一个很难回答的问题。每个晶圆供应商都倾向于专注于他们认为随着时间的推移最有可能降低成本的制造顺序的任何方面。有些人会专注于更快的生长配方，有些人会尝试种植更高的晶锭，有些人会尝试改进切片操作，等等。随着时间的推移，集体努力将导致整个行业逐步降价，但这不太可能来自任何一个特定因素。

笔：包装呢？

Rhoades：必须设计 SiC 器件的封装以处理预期应用的电压和功率水平。这通常也是模块设计的关键部分。

PEN：有几家公司在 SiC 技术上投入巨大。来自竞争技术或市场预测的这种大规模扩张的主要风险是什么？

Rhoades：许多分析师和从多个角度来看，对 SiC 市场的预测都非常强劲，因此许多人可能会大大夸大需求的风险似乎很小。至于竞争技术，用于功率应用的三种主要半导体是硅、SiC 和 GaN。如下图所示（来自英飞凌，但在网上可以找到许多类似的图表），每种材料在不同的频率和功率范围内都能提供最佳性能。当然，有一些重叠，但供应链和竞争力最终会在大赢家和大赢家之间做出选择。总体而言，需求如此强劲，很难看出这些材料中的任何一种将如何成为输家。

硅、SiC 和 GaN（来源：英飞凌科技）

PEN：碳化硅晶圆服务的重点是什么？

Rhoades：随着过去几年所有关于 SiC 对 EV 的好处以及 SiC 晶圆供应短缺的宣传，许多公司都在增长能力上投入了大量资金。有几家新进入者也将增长能力带到了网上，我们认为该行业现在存在不平衡。生长 SiC 圆盘的总容量超过了目前将它们变成晶圆的能力。此外，晶圆产能几乎完全属于大型企业内部，因此非常需要独立公司提供晶圆服务。这正是 X-Trinsic 成立的目的，我们期待与冰球种植者和设备制造商合作，提供他们所需的 SiC 晶圆技术。

SiC 晶圆（和器件）的制造涉及一系列困难的工艺步骤。供应商数量的限制，以及基础材料和生产方法的纯度和缺陷密度，与该行业之前在制造更大硅片时面临的困难相似。吸引力在于，与某些应用中的硅基器件相比，SiC 等宽带隙半导体可以提供显着的性能改进。在功率器件中尤其如此，它们可以在更高的电压、频率和温度下运行，同时仍保持出色的可靠性。因此，SiC 正在为功率器件的高性能设定新标准。

审核编辑 黄昊宇