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在过去的25 年时间里,Cree 取得了诸多成功,包括实现更大尺寸的 SiC 衬底并消除其微管,以及将 SiC 二极管、SiC MOSFET 和 GaN HEMT 推向市场。


CREE 联合创始人 JOHN PALMOUR 和 JOHN EDMOND


碳化硅 (SiC) 的历史可以追溯到很久以前。由于流星碰撞,撞击我们的星球,在地球上发现了唯一自然形态存在的 SiC,散落在亚利桑那州迪亚布洛峡谷 (Canyon Diablo) 等地。到了二十世纪,我们已经开发出了能够合成这种宽禁带半导体材料的专业技术。然而,仅仅是在过去的 25 年时间里,它已经成为我们生活中不可或缺的一部分,在汽车、手机、雷达技术和一系列其他应用中发挥着重要作用。


流星撞击产生的材料物质如今就掌握于我们手中,这段故事着实让人着迷。1907 年,SiC 首次来到了聚光灯下。当时,在科学家 Henry Joseph Round 手中,意外地开发出了发光二极管 (LED) 的雏形。这位无线电先驱飘洋过海,从英国来到美国纽约为马可尼公司工作,在将电流通过 SiC 时,意外观察到了“电致发光”现象。除了早期无线电这一用途之外,SiC 最初也用于磨料之中。SiC在整个二十世纪早中期的发展都非常缓慢,但之后它就开始了其快速加速期。


这一改变的强力推动者之一,就是我们创立于1987年的 Cree公司。公司由先前在北卡罗莱纳州立大学的研究团队所组建。在开启这一事业之时,其实我们对于 SiC 的潜力尚有许多需要探索的地方。当时,我们只知道这种材料在半导体和 LED 商业应用中前景可观,但是我们并不完全清楚该如何实现。同时,高效生产 SiC 晶体的方法还有待建立,而这是器件大规模量产的先决条件之一。

SiC的黄金时代:25 年创新历程

在最初的几年时间里,我们取得了几项重大突破,备受鼓舞。里程碑式的成果包括了首颗商业可用的蓝光 LED 和首个商业 SiC 晶圆的开发。尽管当时我们衬底的直径只有 1 英寸,而且价格非常昂贵,但是我们仍然可以从中发展业务。


这些成功为在过去 25 年里取得更多进步打下了牢固的基础。在此期间,SiC 商业化发展势头迅猛,直至今日仍在持续加速。自 20 世纪 80 年代硅技术从双极型半导体转变到互补金属氧化物半导体 (CMOS) 以来,我们目前正处于整个半导体行业最大的潜在变革之中。


主流突破


我们所取得的一个重大早期成功是在 1996 年,当时大众 (Volkswagen) 汽车的仪表盘采用了我们的蓝光 LED。在此之前,我们一直在销售较低效率的 SiC LED。但在 1995 年,我们推出了基于碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC) 的后继产品。与大众汽车的成功合作,实现了 GaN-on-SiC LED 在车辆上的首次大规模使用,同时也标志着这一技术被认可接受。它已经成熟到可以被主流汽车厂商采用的程度。从当时到现在,被认可接受的关键都在于 SiC 材料的供应。20 世纪 90 年代早期,高效且有效地生长SiC晶体是极为困难的,而SiC晶体又是 LED 和其他器件的基础。


生产高质量 SiC 衬底极具挑战性的部分原因在于,伴随着各种多型体 (polytype)有超过 200 种不同的晶体结构,而其中只有少数适合半导体市场。更为复杂的是,晶体生长需要近 2,500 °C 的高温。我们无法感受如此高的温度,但可以换个角度来阐述。它是太阳温度的一半,并且远远超过熔岩约 1,700 °C 的温度。


多年以来,我们的工程师不断开发、精炼工艺,我们已经实现了单晶棒的生产。这些晶棒只有少量的晶体缺陷,通过增加其尺寸,晶圆直径已经从 2 英寸发展到了 3 英寸、4 英寸、6 英寸以及现在的 200 毫米。取得这一进步是源于我们所投入的开发循环量远远地超过其他 SiC 生产商。今天,我们的 SiC 产量在整个 SiC 材料市场超过了 60%。但更重要的是,由于自 1989 年以来为 LED 业务提供了大量晶圆支持,在过去的 25 年里,我们已经为市场提供了超过96% 的SiC 晶圆。

SiC的黄金时代:25 年创新历程

满足一家主流汽车制造商的需求,驱使我们在 SiC 生产方面取得了首次突破。直至今日,这仍是市场上的重要话题,汽车制造商正在将 SiC 大量集成到面向大众市场的纯电动汽车的动力总成和充电机之中。


照明变革


首次大规模在汽车上使用 LED 之后,全世界经历了手机的快速发展浪潮。最初,手机只是有钱人的新奇奢侈品,之后却很快成为了许多人的必需品。自此之后,手机制造商的产量每年都会高达数百万部。


2001 年,移动电话市场发力,制造商们开始将 LED 集成到最新机型之中。最初,它们被用来为键盘提供背光。几年后,它们成为了彩色屏幕的光源。它们耗能低、尺寸小、坚实耐用且可由电池供电,是满足这些功能的理想选择。该市场带来的 LED 大规模生产,使得 GaN-on-SiC 销售再次经历了巨大增长。

至此,GaN基 LED 找到了它们的首个杀手应用。然而,尽管它们取得的进步如此之大,但距离成为提供日常照明的可用选择,仍然前路漫漫。而在此之前,则需要丰富由这些光源生成的色彩、提高其效率并降低其价格,这样才能在与白炽灯泡相比时有竞争力。


Cree 在所有这些方面都取得了长足的发展,并在 2006 年推出了业界首款照明级 LED。这些器件被称为 XLamp 产品组合,提供 100 lm/W光效,效率超过荧光灯。在数十年的波澜不惊之后,一场照明变革拉开帷幕。

LED 照明拥有诸多优势。它坚实耐用、长寿命、不含汞,且高效、节省电费,有助于减少碳足迹。但在一开始的时候,它并未得到照明基础设施相关部门的青睐。不过也不算意外,毕竟即便当时被认为是向公共领域推广产品的良好商业模式,往往在一年之内也会出现失效,从而不得不被替换。为了推动转型,我们开始销售自己的 LED 照明灯具,向世界展示它的可能性。我们的产品涵盖了从荧光灯具替代产品到 LED 路灯的各种室内外照明灯具。

终于在 2013 年,我们迎来了重要的展示,发布了我们的首个 LED 灯泡。这看起来与其他科技项目成果还蛮不一样的,其风格和感观与白炽灯泡相同,零售价不到 10 美元。此发布旨在开启 LED 照明的大规模应用,我们自己将其称之为“自灯泡以来的重要事情”。


继取得这些 LED 照明重大突破之后,我们开始更加重视照明领域之外的创新。这使得我们走上了今天这条发展道路。如今,我们致力于成为一家全球半导体领先企业,引领从 Si 到 SiC 的变革。


在射频领域的开拓进取


1998 年,我们在射频 (RF) 领域取得首个重大突破,展示了首个碳化硅基氮化镓高电子迁移率晶体管 (GaN-on-SiC HEMT)。与当时的蓝宝石基氮化镓 (GaN-on-sapphire) 变体相比,该器件信号增益更高,功率密度(以瓦特/毫米计)提高了 400%,使其成为无线和广播大功率应用的强力之选。

两年后,我们展示了首个氮化镓单片微波集成电路 (GaN MMIC)。该器件的功率密度达到空前之高,展示出替代砷化镓 (GaAs) 的可行性。GaN MMIC 的超高功率密度不仅使得该器件可以支持更高的功率输出,而且还能够为相同功率水平提供更宽的带宽。

2008 年,我们取得了进一步的成功。我们推出了首个 GaN 射频器件,利用 GaN-on-SiC 的优势,大大提升了射频性能。凭借高击穿电场,GaN 能够在非常高的电压下工作,从而在不损失可靠性的情况下获得高功率密度。采用 SiC 作为基础,GaN 器件就位于超高热导率平台之上。该基材很适合用于耗散高功率密度,并将结温保持在合理水平。因此,GaN 射频器件无需增大器件尺寸即可提供更高的输出功率。这些特性赋能射频产业设计出更小型、更高效、更强大的射频系统。

过去十年间,我们继续提升自身 GaN-on-SiC 射频器件性能。它们已广泛应用于航空航天和国防工业以提升各种系统性能,同时还应用于电信基础设施市场所需的更高效率的功率放大器。

SiC 崛起


电力电子在二十世纪初开始走向成熟。最早的例子是 1902 年开发的汞弧整流器,用于将交流电转换为直流形式。硒在 20 世纪 30 年代初期取代了汞,直到 20 世纪 50 年代才被硅所取代。在那个时代,工程师们发明了首个硅基双极结型晶体管 (BJT) 和金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET),而后者直到 20 世纪 70 年代才开始变得适用于电力电子。硅电力电子的上一重大突破是绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 的开发,发生在 20 世纪 80 年代。


电力电子领域对于 SiC 的采用,使其迎来了在材料方面的下一重大突破。美国国家航空航天局等多个单位部门均对此表示支持,并从 20 世纪 90 年代初开始进行项目资助。要想使 SiC 在主流技术中占据一席之地,那么 SiC 晶圆就需要价格更低、尺寸更大、缺陷更少。只有大幅度地降低缺陷密度,才能够制造出拥有足够面积、可在高电流下工作的器件。

SiC的黄金时代:25 年创新历程

微管缺陷是一个众所周知的主要棘手问题。曾经有一段时间,人们认为微管是 SiC 固有的,因此是不可能被消除的。而且,这还不是唯一的主要绊脚石。SiC 上的氧化物当时被认为是本身就不可靠,从而无法制造出可靠的 MOSFET。即使是攻克了这两个艰巨的难题,但如果 SiC 晶圆尺寸不够大的话,也无法让其器件在那些最具利基性且成本不敏感的应用之外的更广阔领域更好地发挥其价值。如果是这样子的话,那可能也会是徒劳无功的。


历史证明,所有这些问题都得到了解决。2001 年和 2002 年,Infineon 和 Cree 分别推出了首个小型 SiC 肖特基 (Schottky) 势垒二极管,取得了各方面的成功。这为我们在 2011 年初推出首个商业化 SiC 功率 MOSFET 铺平了道路。



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