1996年發生了哪些大事？比爾柯林頓連任美國總統；通用汽車成為美國最大的企業；蘋果當時的股價約為每股22美分；IBM的「深藍」成為第一臺擊敗前國際象棋世界冠軍Garry Kasparov的超級電腦；同年，意法半導體（STMicroelectronics：ST）開始與卡塔尼亞大學合作研發碳化矽（SiC ），今天，碳化矽正在徹底改變電動汽車。

為了慶祝ST研發碳化矽25周年，我們決定探討碳化矽在當今半導體產業中所扮演的角色、碳化矽的研發歷程，以及未來發展方向。 Exawatt的一項研究指出，到2030年，將有高達70%的純電動車將采用SiC MOSFET。這項技術也正在改變其他市場，例如，太陽能逆變器、儲能系統、伺服器電源、充電站等。因此，了解碳化矽過去25年的發展歷程極其重要，對今天和未來的工程師將大有裨益。

碳化矽：半導體產業如何克服技術挑戰

圖一 : 阻礙碳化矽的發展的難題，在於沒有人知道如何能在半導體晶圓廠達到碳化矽商用化。

碳化矽的發展史不僅引人入勝，而且情節緊張激烈，因為捷足先登才能取得先機。碳化矽特性在20世紀初就已經確立，而第一個碳化矽發光二極體需追溯到1907年。物理學家知道，碳化矽的能隙更寬，比矽寬約2ev，這意味著在室溫下碳化矽元件的臨界場強是矽基元件的5倍到10倍。因此，新技術可以極大地提升電力轉換效率，同時能承受更高電壓和更惡劣的作業狀況。

發展阻礙

阻礙碳化矽的發展的難題是，直到1996年，都沒有人知道如何能在半導體晶圓廠達到碳化矽商用化，因為碳化矽基板缺陷太多，而且烤箱的高溫與碳化矽材料不能相容。此外，半導體產業又耗費了十年時間，才能在兩吋以上的晶圓上制造碳化矽元件，在大晶圓上加工晶片是降低成本的關鍵。盡管困難重重，ST還是先行一步，投入巨資研發碳化矽，并與學術界進行合作，成功地克服了所有挑戰。2002年5月，ST成功研發出了第一個蕭特基SiC二極體，2006年，在3吋晶圓上制造了碳化矽二極體，2007年開始量產第一代碳化矽二極體。

發展藍圖

2009年，碳化矽發展史開啟一個重要篇章，ST推出其首個SiC MOSFET樣片，為功率元件大幅改進打開了大門，成為碳化矽歷史上一個重要的里程碑。五年后，ST制造了第一代SiC MOSFET。由于前期的投入，此后一切都進展神速。到2017年，也就是第一代MOSFET問世三年后，ST推出了電阻率降低一半以上的第二代MOSFET。 2020年，推出了第三代產品，延續這一發展態勢。到2016年，ST升級到6吋晶圓，并已計畫在8吋晶圓上生產碳化矽電晶體。

碳化矽：在現今十分重要的原因

取得信任的最佳方式

圖二 : ST圣卡塔尼亞工廠躋身世界上最大的碳化矽晶圓廠之列，

從碳化矽的研發歷史來看，率先消弭基本障礙具有重要意義。作為用碳化矽基板制造半導體的先驅，ST推出可以生產出更多更好之碳化矽元件的新解決方案。此外，ST的卡塔尼亞廠躋身世界上最大的碳化矽晶圓廠之列，擁有從6吋晶圓升級到8吋晶圓的制造設備。因此，碳化矽早期投資帶來回報，不管訂單多少，ST都能確保穩定供貨。

目前ST在卡義大利塔尼亞和新加坡宏茂橋的兩條6吋晶圓生產線正在量產碳化矽旗艦產品，中國深圳和摩洛哥Bouskoura后段制程則負責封裝測試。透過ST碳化矽公司（前身為Norstel A.B.，ST于2019年收購），ST的目標是，到2024年采購內部碳化矽晶圓的比重將達到40%以上，其余的碳化矽晶圓將從其他供應商處采購。

創造良性循環

先發優勢還能為先行企業創造一個良性循環。隨著難題得到解決，產量逐漸提升，ST有機會與客戶展開技術合作，例如，新興的高人氣電動汽車迅速采納了ST的碳化矽元件。客戶給予的反饋讓ST能夠進一步優化制程技術，改善產品的電氣性能，以推出更高效、更穩定的產品，接著進提升產品的采用率，形成良性循環。現在，ST正為客戶提供額定電壓1200 V、電阻率3.3 mΩx cm2的SiC MOSFET。

碳化矽：工程師的未來期望

矽、碳化矽，以及氮化鎵

在討論碳化矽的發展未來時，工程師須考量到寬能隙電晶體的背景。的確，隨著氮化鎵的出現，設計者到底應該如何看待碳化矽？答案與每種材料的電性能相關。就像碳化矽不能代替矽一樣，氮化鎵也不能代替碳化矽，雖然在應用上可能有一些交叉，但在大多數應用中，每種材料都賦予新的設計，因此，這三種材料是優勢互補的關系。在過去的25年里，ST在碳化矽方面獲得70項專利，還證明這項新技術根本不會威脅到矽。

今天和未來的工程師必須了解矽、碳化矽和氮化鎵在半導體產業中所扮演的角色，例如，碳化矽在動力馬達逆變器或汽車DC-DC轉換器中大放異彩，這些應用的匯流排電壓為400 V或800 V，分別需要600 V和1200 V的 MOSFET。

此外，碳化矽更容易驅動，由于熱特性佳，使碳化矽比氮化鎵更耐高溫，而且，動力馬達逆變器無法承受氮化鎵更高開關頻率的優勢，所以，汽車設計者更傾向于選用碳化矽。另一方面，研發團隊目前正在用氮化鎵設計電壓較低（在100v到600v之間）的應用。此外，在一些工業或消費性應用中，氮化鎵更快的開關速度對提升效能的作用顯著。同樣，當企業不能從氮化鎵或碳化矽更好的效能獲益時，矽基元件仍然是一個相較適合的選擇。

邁入新時代

經過25年的發展，碳化矽變得越來越成熟。因此，業界不會看到電阻率像以前那樣大幅下降，但會看到更穩定可靠的產品。隨著ST晶圓廠試驗更大的晶圓和新制程，成本將繼續下降。事實上，ST正在投資研發碳化矽基板技術，提升品質，優化產能。直接的結果是，業界可以期待更高的產能和更低的成本，推動碳化矽采用率提升。因此，經過25年的發展，ST的碳化矽正進入一個民主化和變革的新時代。