SiC 與半導(dǎo)體垂直整合的復(fù)興，先進(jìn) SiC 解決方案的需求不斷增長(zhǎng)

碳化硅 (SiC) 半導(dǎo)體在處理高功率和導(dǎo)熱方面比電動(dòng)汽車(chē) (EV) 系統(tǒng)和能源基礎(chǔ)設(shè)施中的傳統(tǒng)硅更有效的能力現(xiàn)已得到廣泛認(rèn)可。SiC 器件有助于更有效地將電力從電池傳輸?shù)?EV 系統(tǒng)組件中的電機(jī)，從而將 EV 的行駛里程增加 5% 至 10%。

第三代半導(dǎo)體性能優(yōu)越，應(yīng)用場(chǎng)景更廣。半導(dǎo)體材料作為電子信息技術(shù)發(fā)展的 基礎(chǔ)，經(jīng)歷了數(shù)代的更迭。隨著應(yīng)用場(chǎng)景提出更高的要求，以碳化硅、氮化鎵為代 表的第三代半導(dǎo)體材料逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化加速放量階段。相較于前兩代材料，碳化硅 具有耐高壓、耐高溫、低損耗等優(yōu)越性能，廣泛應(yīng)用于制作高溫、高頻、大功率和 抗輻射電子器件。

碳化硅器件應(yīng)用場(chǎng)景廣闊。因其高熱導(dǎo)性、高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度及高電流密度，基 于碳化硅材料的半導(dǎo)體器件可應(yīng)用于汽車(chē)、充電設(shè)備、便攜式電源、通信設(shè)備、機(jī) 械臂、飛行器等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。其應(yīng)用的范圍也在不斷地普及和深化，是一種應(yīng)用 前景非常廣泛、非常具有價(jià)值的材料。

第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度遠(yuǎn)大于前兩代。第一代和第二代半導(dǎo)體都是窄帶隙 半導(dǎo)體，而從第三代半導(dǎo)體開(kāi)始，寬禁帶(帶隙大于 2.2eV)半導(dǎo)體材料開(kāi)始被大 量應(yīng)用。碳化硅作為第三代半導(dǎo)體的典型代表，具有 200 多種空間結(jié)構(gòu)，不同的結(jié) 構(gòu)對(duì)應(yīng)著不同的帶隙值，一般在 2.4eV-3.35eV 之間。碳化硅材料除寬禁帶之外，還 具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和漂移速度及高穩(wěn)定性、最大功率等優(yōu)點(diǎn)。

禁帶寬度決定材料特性，寬禁帶提高更好性能。禁帶寬度是衡量半導(dǎo)體性能的 一個(gè)重要指標(biāo)，更寬的禁帶意味著更高的激發(fā)要求，即電子和空穴更難以形成，這 也導(dǎo)致了寬帶隙半導(dǎo)體在不需要工作時(shí)可以保持類似絕緣體的特性，這也使得其具 有更好的穩(wěn)定性，寬禁帶同時(shí)也有助于提高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)工作環(huán)境的 承受能力，具體體現(xiàn)在具有更好的耐熱性和耐高電壓性、抗輻射性。

同時(shí)因?qū)捊麕w系中導(dǎo)帶與價(jià)帶間的高能量差，使得電子與空穴被激發(fā)后的復(fù) 合率大大降低，這就使得更多的電子和空穴可以用于導(dǎo)電或者傳熱，這也是碳化硅 具有更強(qiáng)的導(dǎo)熱性與導(dǎo)電能力的一個(gè)原因。

新的是芯片制造商如何整合從開(kāi)發(fā)到制造再到封裝的 SiC 供應(yīng)鏈部分。隨著對(duì)先進(jìn) SiC 解決方案的需求不斷增長(zhǎng)，特別是在汽車(chē)市場(chǎng)，一個(gè)新的端到端垂直整合供應(yīng)鏈正在迅速形成。

以下概述了 2022 年的三場(chǎng)行業(yè)事件，展示了 SiC 生態(tài)系統(tǒng)的快速整合和半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的彈性。

新的 SiC 生產(chǎn)設(shè)施

2022 年 8 月，onsemi 在新罕布什爾州哈德遜開(kāi)設(shè)了 SiC 工廠，以在供應(yīng)受限的環(huán)境中建立垂直整合的設(shè)置。該生產(chǎn)設(shè)施將使 onsemi 全面控制其 SiC 制造供應(yīng)鏈，從采購(gòu) SiC 粉末和石墨原材料到交付完全封裝的 SiC 器件。因此，onsemi 預(yù)計(jì)到 2022 年底將其產(chǎn)能同比提高五倍，同時(shí)將 Hudson 的員工人數(shù)翻兩番。

一個(gè)新的碳化硅晶圓廠

2022 年 10 月，從事 SiC 半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)超過(guò) 25 年的 STMicroelectronics 宣布將在意大利卡塔尼亞工廠建設(shè) SiC 襯底制造工廠，以支持汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用對(duì) SiC 器件日益增長(zhǎng)的需求。SiC 襯底制造設(shè)施與卡塔尼亞現(xiàn)有的 SiC 器件制造設(shè)施一起建造，將于 2023 年開(kāi)始生產(chǎn) 150 毫米 SiC 外延襯底。

預(yù)計(jì)這將使卡塔尼亞成為 SiC 半導(dǎo)體的研究、開(kāi)發(fā)和制造中心。ST 還暗示將在不久的將來(lái)開(kāi)發(fā) 200 毫米 SiC 晶圓。這家歐洲芯片制造商目前正在其位于卡塔尼亞和新加坡宏茂橋的工廠生產(chǎn)大量STPOWER SiC 產(chǎn)品，而 SiC 組裝和測(cè)試則在中國(guó)深圳和摩洛哥 Bouskoura 的后端工廠進(jìn)行。

晶圓供應(yīng)協(xié)議

射頻和功率半導(dǎo)體供應(yīng)商 Qorvo 與 SK Siltron CSS 簽署了 SiC 裸晶圓和外延晶圓的多年供應(yīng)協(xié)議，這也體現(xiàn)了 SiC 襯底的至關(guān)重要性。SK Siltron CSS 提供的化合物半導(dǎo)體晶圓解決方案有望增強(qiáng)對(duì) Qorvo第 4 代 SiC FET產(chǎn)品的保護(hù)和信心。

隨著SiC襯底的產(chǎn)能建設(shè)，2023年很可能成為SiC半導(dǎo)體和功率模塊的元年。