请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版

一家晶体生长设备制造商转向了材料制造,为SiC电力电子器件的生产创造了更具竞争力的供应链。


SANTHANARAGHAVAN PARTHASARATHY,GT ADVANCED TECHNOLOGIES


硅是整个电子行业应用最为广泛的材料,几十年来一直主导着电力电子产品。但它的影响力正在下降。无论是以哪种形式转换功率的硅功率器件(如AC-DC整流器、AC-AC变压器、DC-DC转换器和DC-AC逆变器)都在努力满足更高额定功率、更快开关频率和更高工作温度的要求。若是不能满足,则会产生不良后果,因为这样一来电路就需要额外的冷却,占用更多空间,同时它们需要大型 "无源 "元件,如电感和电容器。

解决所有这些缺点的是有着更宽带隙的一组材料,如SiC。更宽的带隙是一个奇妙的属性,可带来多种好处。对于SiC来说,其带隙是硅的三倍,提供的击穿场是现有硅材料的十倍(见表1)。SiC器件的其他优点是,能在远高于硅等效器件的频率下实现有效开关,从而可以使用小得多的无源器件,并且导热率比硅好三倍。凭借所有这些特性,SiC掌握了更小、更轻电路的关键,同时这种电路有着更高的效率,能承受更高的电压,但对热管理的要求却降低了。

随着市场和应用推动 "万物电气化 ",对这种电路的需求正在增长。虽然这一点在电动汽车行业最为明显,该行业正在推动传统使用的硅基电力电子器件向SiC过渡,但其他行业也在受益于这种宽带隙材料。这些行业包括:其他运输方式中的电源转换系统,如电气化火车、船舶和飞机;可再生能源应用,包括太阳能光伏发电和风能;以及工业/商业应用,如服务器电源、数据中心用的不间断电源、电机驱动器和医疗成像系统等。

除了所有这些全SiC器件外,SiC还为各种基于GaN的器件提供了基础。高频GaN-on-SiC晶体管被应用于5G通信系统中,如基站、数字电视、雷达和光电器件等。在5G应用中,氮化镓外延层和半绝缘SiC衬底的组合可制造出优于硅LDMOS的器件,并提供更高的容量和更好的覆盖范围。从硅LDMOS切换到GaN-on-SiC使每座基站的用户数增加了一倍,并将数据传输速度提高了一个数量级以上。

衬底供应

随着人们对SiC优越性能的认识不断加深,对这种材料制成的电力电子器件的需求正在快速上升。只有少数公司通过生长高质量的SiC晶体来满足这一需求,这就引出了一个问题:为什么不批量生产SiC晶体?

答案是多方面的,与生长SiC的挑战有关。这种宽带隙材料无法用制造硅熔体提拉法生长工艺来制造。这是因为在正常条件下无法实现化学计量的熔化。在大约2100℃时,SiC不是熔化而是升华。因此,SiC的生长需要一个气相晶体生长过程——通常是物理气相传输或升华技术。

GT开拓SiC衬底生产

气相生长和熔融生长的晶体生长步骤基本相同。该过程首先是通过升华或熔融产生反应物,并利用特定的温度梯度将其输送到生长表面。在生长表面发生吸附后(称为过饱和),发生成核作用,随后发生晶体生长,该过程通过气固界面或固液界面的推进而进行。

SiC和硅晶锭生长过程中使用的工艺差异是这些衬底成本、尺寸和可用性差异背后的原因。对于硅,在最先进的晶体生长设备中生产的硅锭直径为450毫米,长度超过2米,生长速度约为100毫米/小时。通过使用10毫米×10毫米截面的薄籽晶开始生长。

相比之下,SiC晶体的生长直径为150毫米,厚度最大为50毫米,生长速度要慢得多——生长速度为100-300微米/小时。这个过程是从直径150毫米以上、厚度1-2毫米的起始籽晶开始的。

GT开拓SiC衬底生产

图1.从硅到SiC的转换可在系统层面节省成本。资料来源:ST微电子


对于任何想要制造SiC衬底的公司来说,一个重要的进入障碍是,启动该过程所需的高质量籽晶,商业上无法获得。试图通过使用商业衬底作为块状晶体生长的籽晶来解决这个问题是不可能的,因为厚度不够。因此,这个市场的任何新参与者都必须花费大量的开发时间和资源来生长高质量的籽晶。

除了生长速度缓慢和晶体尺寸的限制外,气相生长过程中与产量有关的困难也是SiC晶体的生产成本远远高于硅晶体的原因。然而,尽管衬底成本高得多,即使是今天,一个电路设计者从使用硅器件转为使用SiC制造的器件,也能在系统层面降低5%-10%的成本。因此,这种材料已经可以收回成本,而且随着时间的推移,SiC衬底和器件的成本会大幅下降,其赢利空间将会越来越大。请注意,除了节约系统成本外,SiC器件还能实现更小、更轻的系统,这主要是由于其更高的功率密度(节约成本的细节见图1)。

GT开拓SiC衬底生产

图2. SiC价值链与硅的价值链面临不同的挑战


与SiC相关的另一个挑战与这种材料的晶型多有关。有三种基本晶体结构——立方体(3C),菱形(15R)和六边形(2H、4H、6H等)——而多型体的晶体结构已超过200种。用于电力电子的SiC 4H型晶体约占SiC市场的60%。器件是在n型SiC上制造的,这种n型SiC是通过掺入氮制成的。这导致电阻率在0.015至0.025Ωcm范围内(通常为0.020-0.022Ωcm)。用于制造射频器件的衬底销售额占SiC市场的40%。这些器件涉及在4H半绝缘衬底上生长GaN基异质结构。通过不掺杂或掺杂钒生产,它们的电阻率超过10,000Ωcm。在光电器件应用中则采用6H晶型。

SiC的质量落后于硅。后者可以无缺陷地生长,而SiC则存在与气相生长、多型和螺旋生长机制相关的基本问题。部分问题在于,在SiC中原子从正确的位置迁移走所需的堆垛层错能量远低于硅。这就导致了广泛的缺陷,包括微管、碳夹杂物和扩展的晶体缺陷,如螺位错、刃位错、基平面位错和堆垛层错。减少这些缺陷并不容易,需要结合设备专业知识和工艺知识。仅改善这些问题中的一个而不顾其它,也不足以实现高增长市场所要求的结果。

加快实现成本平价

在GT公司,我们已经开发并改进了一种高产量晶体生长工艺,用于大批量、低成本的碳化硅晶体生产,帮助我们实现加速硅和碳化硅成本均等化的主要目标,并大大增加这种高需求材料的供应。

GT开拓SiC衬底生产

图3.在150毫米晶圆上生产的SiC MOSFET的成本明细。来源:Exawatt


我们的努力使我们能够使用主流生产工艺生产直径150毫米的SiC衬底。由于大直径晶圆的供应是降低器件成本和提高芯片良率的关键,我们也已经开始了200毫米晶体的开发工作。

SiC衬底的价格取决于单晶炉结构和基础设施相关的成本,例如冷却水供应、不间断电源的成本和需求、占用的空间、排气系统和HVAC等因素。产生SiC升华所需的高温有两种选择:一种是电阻加热炉,通过辐射将热量从加热器传递到坩埚;另一种是坩埚作为加热器感应加热。电阻炉的缺点之一是固定成本高,这是由设备资本支出、大型的基础结构和体积导致的。如果使用这种加热形式,通过操作和技术改进来降低成本的机会有限。而使用感应法,节省成本的预期要大得多。由于较低的资本支出、较高的生产率、较低的电耗和较小的体积,使用者需要负担的固定成本更低。

出于上述原因,我们采用了感应法,我们将自己定位为当今市场上成本方面的领导者,并拥有进一步改进的巨大空间。凭借广泛的热场建模技术,以及卓越的设备设计和过程控制创新,我们的生产过程能够实现高产量、高质量和低成本。我们生产的晶体缺陷(包括微管缺陷和其他晶体缺陷)很低,并且由于具有很高的批次间重复性,我们的生产方式经济高效。

我们还能够利用已建立的供应链资源、设备设计和制造能力以及工艺专长。这些优势使我们处于一个很好的位置,可以根据需求迅速扩大规模,并随着时间的推移进一步改进我们的生产工艺。这将稳步提升我们在提供低成本、大批量SiC材料供应方面的竞争力。

SiC衬底生产所面临的挑战不仅限于晶体生长。由于生长过程中产生的内在热应力和材料的高硬度(仅次于金刚石),将晶柱加工成晶片并不容易。衬底生产首先要将SiC晶体滚圆到特定的直径,然后使用金刚石浆料、金刚石砂线或激光切割进行多线锯切。随后进行表面的粗磨和精磨、倒边和化学机械抛光。

GT开拓SiC衬底生产

表1.锗、硅、砷化镓和碳化硅的物理特性。


器件制造商将把开盒即用(epi-ready)衬底,装入CVD室,将其加热到1600℃,然后用丙烷作为碳源,用硅烷或三氯硅烷作为硅源,来生长外延层。根据预期的器件击穿电压,该漂移层的厚度将在5μm和100μm之间(漂移层厚度约为1μm/100V,因此对于11kV的器件,外延层厚度需要超过100μm)。

为了实现优异的可靠性,并推动良率和成本的改善,器件生产可能会采用最近的优化,如栅极氧化和热氧化工艺。这些技术有助于扩大SiC器件的产品组合范围,其中包括肖特基势垒二极管、MOSFET、HEMT、MesFET、JFET、共源共栅和BJT,其工作电压在600V到30kV之间。利用封装技术的发展,如AlN基板上直接键合铜和直接键合铝等,还可用SiC器件生产功率模块。这些模块可以在超过200℃的温度下运行。

SiC电力电子器件的供应链与硅的供应链明显不同(图2)。前者受制于SiC晶体的有限供应,这是一个主要的瓶颈,我们正在通过供应链战略消除它。相比之下,硅产业的集成器件制造商(IDMs)则可从多家衬底生产商处购买材料。更为复杂的是,现有领先的SiC衬底厂商也在生产自己的器件,因此他们与下游客户产生竞争。

和硅一样,SiC产业也需要“纯粹的”材料供应商。GT的供应链战略将使这一点成为可能,从而为现有的硅衬底供应商提供机会,将SiC加入到他们的产品组合中,并利用已建立的规模、成熟的价值链以及与购买硅衬底的IDM建立的关系。同样,IDM也可以迅速增加晶圆产能,提高其垂直集成度。无论哪种情况,随着规模的增加和产业摆脱对少数供应商的依赖,成本应该会迅速下降。

SiC产业的这种转型将为电力电子产业带来巨大成功。如今,单片开盒即用(epi-ready)的150毫米SiC衬底零售价为800~1100美元,占器件成本的很大一部分(图3给出了一个MOSFET的成本明细)。这种衬底的成本可能会大跌——我们预计在未来几年内它将降至300美元。降价的关键之一是增加生长晶体的可用厚度,因为运行成本与晶体厚度相对独立。

其他的驱动因素是降低资本支出、降低运营成本、提高生产率、加强过程控制和提高工厂良率——晶体生长良率必须提高到98%以上,而晶体制造良率必须超过95%。

我们在SiC晶体生长方面的专业技术使我们做出了战略决策,利用我们在晶体生长设备和SiC生长方面的知识和经验,并且专注于此。我们正在为全球晶圆生产商提供大量的高品质SiC晶体。这种供应扩大并加深了SiC晶圆的全球供应,有助于降低成本。

功率器件行业已经对这些市场发展表示欢迎:2019年8月,GTAT与GlobalWafers签署了一项长期协议,以供应其CrystX SiC晶体,2020年初又与领先的IDM公司安森美半导体签署了长期供应协议。


路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋
返回顶部