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反超Cree!这家SiC公司是如何做到的?

发布时间:2022-03-17作者来源:萨科微浏览:326

2005年,II-VI的碳化硅衬底开发还很缓慢,但是到了2020年,II-VI的半绝缘型SiC衬底营收就超越了Cree。Yole报告显示,2020年II-VI的市占率从2019年的27%增至35%,而Cree则从42%降至33%。 

今天,就跟大家聊聊,II-VI是如何赶超Cree?II-VI的半绝缘SiC为何这么强?

沉舟侧畔千帆过

Cree一枝独秀

前段时间,美国空军研究实验室(AFRL)的J. D. Blevins发表一篇报告,介绍了美国SiC产业的发展历程。

据介绍,北卡罗来纳州立大学很早就进行SiC升华生长研究,凭借所多项关键专利,1987年Cree-Research正式成立,并于1991年成为第一家提供商业化碳化硅的公司。

图1.Cree25mm 6H-SiC衬底和6H-SiC Lely片晶。

除了 Cree-Research外,1990年代初期,西屋科技中心和先进技术材料公司(ATMI)也都积极参与SiC的研究和开发。

不过,早期的SiC升华生长研究充满坎坷,存在种种难以克服的技术挑战,包括微管、掺杂、多型控制、直径膨胀和晶体缺陷等。

Cree-Research于1991年和1998年分别推出了25mm 6H SiC和50mm 4H SiC。尽管有多个供应商生产类似产品,但价格都很昂贵,而微管密度超过100cm-2 。

图 2. 早期升华法碳化硅单晶供应商和规格。

为了推动SiC实现更广泛的商业化,1999 年,美国《国防生产法案》“Title III计划”为SiC行业提供了急需的启动资金,美国空军为3家公司提供了“成本分摊合同”,包括Cree-Research、Sterling (ATMI)和Litton-Airtron,目标是将SiC衬底直径扩大到75mm,并提高晶体质量。

2002年开始,美国国防高级研究计划机构的WBGS计划也高度关注宽带隙半导体材料的开发,Cree和Sterling都获得了相关合同,目标是将N型和半绝缘SiC衬底直径扩大到100mm,并将微管密度降低到1cm-2以下。

不过,并不是所有获得资助的企业都发展地很好。

2000年12月,Litton Industries以38亿美元(约245亿人民币)或每股80美元的价格被Northrop Grumman收购。2001年底,Litton-Airtron的SiC研发部门又被II-VI收购。

2002年,在获得DARPA合同的几个星期后,Sterling的母公司Uniroyal Corporation就申请破产,导致关键技术人员外流。道康宁立即收购了Sterling。

而且,早期的SiC技术开发远未能实现合同计划目标。从下图可以看出,Cree的品质明显优于竞争对手。

图4.2002年左右,Cree 75mm、DOW 75mm和II-VI 50mm 4HN SiC (上)和半绝缘 SiC的交叉偏振图像(下)。

2005年,DARPA对SiC衬底的支持基本结束,只有Cree显示出加速SiC衬底商业化的强烈迹象。而当时,道康宁的研发依旧挣扎,而II-VI的进展也很缓慢。

随后,DARPA将投资主要集中在SiC功率开关和GaN RF器件上,Cree的衬底业务从中受益。

为避免一家独大

美国扶持II-VI

WBGS停止资助后,Title III计划继续推动SiC衬底的发展,通过提供超过7500万美元(约4.84亿人民币)政府资金,与Cree(Wolfspeed)、Raytheon、Northrop Grumman 和 Triquint (Qorvo) 合作,提高第一代GaN HEMT的可制造性。

2000年代初期,Cree继续在SiC衬底技术开发和推广等方面处于领先地位,通过垂直整合,他们能够通过内部使用需求直接推动材料质量的改进,但这也意味着他们衬底和外延客户也是他们的主要竞争对手。

美国认为,SiC衬底只有单一供应商,可能会阻碍产业的发展,纯SiC衬底供应商对SiC和GaN器件技术的长期开发和商业化至关重要。

于是,从2003年-2017年,AFRL向II-VI公司提供了4份大合同,合计超过3.5亿人民币。

前两份合同的主要目标是将4HN SiC的直径扩大到100毫米。不过,当时II-VI的100 mm半绝缘6H SiC边缘区域布满成形晶粒和其他缺陷,微管密度达到117cm-2(下图)。

因此,在支持II-VI的同时,AFRL也支持Intrinsic开发SiC。Intrinsic是由Sterling被收购后的关键人员组成。

在不到两年的时间内,Intrinsic 迅速成功地展示了高质量的100-mm SiC。更重要的是, 2005年9月,Intrinsic率先发布了零微管 (ZMPTM)4HN SiC(下图)。

但是2006年7月,Cree收购了Intrinsic。2007年,Cree发布了100mm 4HN ZMPTM SiC,以及100 mm半绝缘SiC。

好在II-VI的研发也有进展,在2003-2010年期间,II-VI将晶体直径从50毫米扩大到100毫米,也发布了100毫米4HNSiC和半绝缘SiC。

图释:II-VI 100-mm半绝缘6H SiC衬底(上)和100mm 4HN SiC衬底(下)。

2010年底,AFRL与II-VI签订了最大的合同——超过2000万美元(约1.3亿人民币),重点是开发和商业化6英寸的4HN SiC和半绝缘6H SiC,以及继续将直径扩展到8英寸

获得资助后,II-VI对设施和设备进行了大量投资,包括扩建新泽西州工厂,并且在密西西比州建立两个制造工厂。

最终,II-VI依靠其独家专利的高级物理气相传输 (APVT)和轴向梯度传输 (AGT)晶体生长技术,实现了6英寸和8英寸SiC单晶的目标。

II-VI分别在2013年和2014年展示了无微管100mm 6H半绝缘和150mm 4HN SiC;2015年7 月,成为了首家展示8英寸4HN SiC的企业。

2017年3月,AFRL为II-VI提供了第四个合同,为期 5 年,政府资助1200万美元(约7748亿人民币)。这项工作的重点是提高制造效率、减少缺陷和降低成本,以生长和制造200毫米的4HN SiC和半绝缘SiC。

这些无缺陷的大直径晶体是使用新的全自动生长平台生长的,而且,II-VI成功将200mm 4HN SiC的位错密度降低到1881cm-2 ,其中包括598 cm-2的螺杆密度和272 cm-2的基面密度。

在半绝缘碳化硅方面,II-VI使用钒补偿在带隙内引入深能级,是使用钒掺杂的半绝缘SiC唯一市场供应商,其可再现和高度均匀的电阻率超过1011Ω·cm。

2019年10月,II-VI 在业界首次展示了200 mm的6H半绝缘SiC。

在过去的 30 年里,美国国防部为宽带隙半导体资助超过10亿美元(约64.57亿人民币),可以说催生了一个全新的行业。Cree Research、Westinghouse、Northrop-Grumman、ATMI、Sterling、Litton-Airtron、Dow 和 Intrinsic 等公司,有些被并购,有些已经消失。Wolfspeed-Cree、II-VI“胜者为王”,目前两家企业的全球市占率合计超过70%。

近年来,随着SiC商业和军事需求迅速增长,这两家企业也在不断扩产。2019年9月,Wolfspeed-Cree宣布承诺投资10亿美元建立全球最大的 SiC 功率和射频制造工厂。而II-VI继续扩大新泽西州、宾夕法尼亚州和马萨诸塞州的制造产能。




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