光電技術 No.21 發行時間：2008/10
          
 
 

[CS精選]SiC準備要拯救這個世界 
    
Andy Extance

　但在緊峭的小眾市場之中，企業為了最終客戶之有限銷售額而相互競爭，如此真的可以拯救他們自己嗎？Andy Extance在日本大津的時候，不但於ICSCRM 2007研討會上公開展示在這個成熟領域的最新研究，而且證明了如此的抱負與成長的辛苦。

　正當在我前往日本大津參加2007年碳化矽與相關材料國際研討會(ICSCRM)之時，美國前副總統艾爾‧高爾以及國際氣候變遷小組(IPCC)共同獲得了諾貝爾和平獎。在ICSCRM研討會的全體會議中，與會者也沒忽略這個被尊稱為”冰淇淋”的事件。在研討會的第一個早上，SiCED公司和Toyota公司的代表們同時提到這一則新聞以及用碳化矽(SiC)來替代Si的潛在效能優勢。當SiCED公司的Dethard Peters在敍述使用SiC元件作為工業反相器(inverters)所造成的能源節省時註釋說：「全世界正在等待解決全球暖化的方案，而我們手頭上有碳化矽。」
在研討會的宴會上，滋賀縣(縣治為大津市)縣長跟人群致詞時也談起這個話題。作為一個具有生態學者背景及擁有琵琶湖(研討會支持的世界遺產地點)管轄權的人，她很自豪能與這個潛在的”環境友善”科技聯繫在一起。

　這樣的一個名聲幾乎不會損害到SiC社群，但是要試圖去跟高爾等人聯結在一起，或許還是有點太早。一則匿名的報導回應這個被綠色色彩所籠罩的研討會：「我們以為我們已有足夠的能力讓缺陷層級降低並製造出元件，而現在我們必須拯救這個世界？」

　回到全體會議中，來自Toyota的濱田(Kimori Hamada)強調他的公司，將搶先在2010期間於油電混合車中的某些地方中使用SiC。然而，他要求SiC必須具有高效能，而且其成本必須可以跟矽競爭。

　差不多同時間，來自SiCED的Peters緊跟著發表那樣的要求。他在全體會議的演說堅持在其協助Infineon公司開發蕭特基二極體(Schottky diodes)之後，目前Schottky二極體跟矽相比之下是具有經濟上的競爭力的。由於SiCED公司在德國工業享有非常幸運的地位(西門子所擁有並與Infineon合作)，其正在快速地開發接面場效電晶體(JFETs)與金氧半場效電晶體(MOSFETs)以結合Infineon的Schottky二極體。

　許多研討會的參與者跟本不顧這些商業承諾，並對產業的前景感到緊張，特別是那些數目不斷成長的SiC晶圓供應商代表們。正當Cree公司在演說中談到SiXON這家最常被提及的供應商時，這間日本知名的晶圓供應商卻宣佈停止營業了。有兩家公司首次露面並取代原本SiXON的位置：南韓的Crysband與中國大陸的TanKeBlue。

Cree－持續領先別人
　在接下來的全體會議演說中，來自Cree公司的Al Burk先重溫了SiC成長的歷史，接著以其4吋(Cree公司的專門用語為100mm)零微管晶圓(zero-micropipe wafers)宣揚其公司目前在基材市場中的領導地位。Burk的演說著重於那些可能建立Cree公司目前地位的前輩們，他們倉促完成公司內所使用的設備之設計細節 - 8x100mm晶圓的溫壁型多片行星式SiC-氣相磊晶(warm-wall planetary SiC-VPE)反應腔。Burk的同事Joe Sumakeris則解釋Cree公司用來改善其100mm晶圓之厚度與摻雜均勻性的方法，此方法使用水平連續式而不是用多片行星式反應腔。通過次要的碳來源管道導入額外的丙烷至腔體中，有助於減少在晶圓邊緣所發現的增厚情形與過多摻雜。增加補充的氫氣中止了反應腔內的石墨析出，以及在晶圓成長過程中產生的討人厭缺陷。

　在確定於4吋的規模上成長零微管，Cree公司現在正在努力減低“1c-screw”差排密度。Robert Leonard詳細的描述晶圓映射(wafer mapping)以展示在Cree公司內的製程開發可以減少超過半數的1c-screw差排。標準的製程帶來850 cm–2的1c-screw差排密度，但Leonard展示的結果顯示，在3吋的4H SiC晶圓上的差排密度可從325 cm–2減低至175 cm–2。根據Leonard的說法，縮減1c-screw差排的密度降低了SiC-基元件之漏電流。
　
　一大票在ICSCRM發表的研究皆專心於發展能能改良晶體品質且能避開Cree公司強大智慧財產權保護傘的方法。舉例來說，Cree公司已經取得以晶圓的氫氧化鉀蝕刻來降低基面差排(basal plane dislocations)密度的專利。這些基面差排會造成疊差(stacking plane faults)，因而會降低某些SiC元件運作時的效能，因此在華盛頓的美國海軍研究實驗室所開發出來的一個替代方法引起了許多人的興趣。在Robert Stahlbush所宣稱的一種中斷成長方法的單一步驟中，可以轉換百分之三十的晶圓基面差排成為較沒問題的螺紋狀蝕刻差排(threading etch dislocations, TEDs)。此可以進一步重複進行以減小基面差排的層級。當我仍舊在留意他所發表的明確製程細節之時，Stahlbush解釋這個發現是在磊晶成長期間研究基面差排發展時所得到的。這些研究的期間，在每次磊晶運轉的一開始，會有一些基面差排將會轉變為螺紋狀蝕刻差排。

SiC成長能有多快呢？
　由於像Toyota這般的最終使用者將性價比放在他們的SiC願望列表最前面，所以高成長率(High Growth Rate)會議引起非常多的注意。要達成高成長率的關鍵為在使用氣體的反應腔內抑制成核。會議分為二派，歐洲研究者使用不同形式的氯基化學製品去抑制成核，日本研究者則注重氣體控制。

　在氯化學品方面，美國新創公司Caracal與Linköping大學利用甲基三氯矽烷作為生長的前趨物，可達到高於每小時100微米的4H SiC成長率。同樣的共同研究則實現同軸(on-axis)晶體成長，可以在每小時20微米的成長速率下生產100%的4H SiC多型體結構(polytype)。同軸成長是相當困難的，因為這樣會導致一個多型體結構混合而成的SiC晶體。但是這樣的結果卻是今人滿意的，因為這將消除基面差排的問題。

　相比之下，來自日本的電能工業研究中心之研究者，藉由使用較傳統的氣體混合方式達成每小時135微米的成長速率。根據Masahiko Ito的說法，在氫氣/矽甲烷/丙烷中停止成核作用的關鍵為在40 torr的壓力下去成長你的晶體。一種類似的低壓方法，使用20 torr的低壓並加上反應腔的一種加強設計，日本先進科技研究院的Yuuki Ishida成功達到每小時140微米的成長速率。

　Toyota現在並非只是個日本的企業集團。在跟元件相關的技術文章之中，一些主要的企業，諸如東芝、國際、三菱、日立、日產與來自日本電力公司的代表們，皆在SiC這個競技場上加快腳步來展現他們的做法。在一大堆的元件之間，經歷MOSFET研究的強大組織表示SiCED公司與其合作伙伴，他們將不會獨佔SiC MOSFET這個領域。許多團隊沒有生產商業元件，但將他們的注意力集中在SiC與任何可能的柵極氧化物間之電子捕捉問題。

　雖然我們等候全系列的SiC元件慢慢地被商品化，可是接著導入市場的商品卻可能來自於軍事合約。Northrop Grumman公司的Victor Veliadis出示一個0.1平方公分大小的垂直型JFET，為了美軍這個產品已經可以達到超過1980伏特的崩潰電壓。來自於美國太空總署的David Spry展示他正為感測應用而開發的SiC垂直型JFET如何能在500OC以上穩定地運作2000小時，目前試驗仍舊持續進行中。

　因此，雖然在大津有許多事都是有建設性的，很明顯地，SiC社群在其可以發輝全部潛能之前仍然面臨了無數的挑戰。就在此時，有非常多的人們在有限的經費中完成他們的工作，這經費來自於銷售給流向此產業的最終客戶。

　法國里昂Yole Développement這家專門的電力顧問服務公司已經估計出SiC元件在電力部分的銷售額，在2006年共計為1千5佰萬元，這筆錢被Infineon and Cree所瓜分。
在會議舉辦那週的星期四，Cree宣佈其前一季的全部銷售額已達到113佰萬美元 – 這收入中的8.5佰萬美元來自於材料，電力元件僅僅產生4佰萬美元的收入。正好Cree公司是SiC這個小池塘中的一尾大魚，所以在ICSCRM研討會上被討論的此類應用，目前對Cree公司而言在財務上第二重要的。

　對這較有利的一面為工業巨擘仍持續支持著SiC，這更凸顯Yole的主張之重要性，其聲稱每年的元件市場在2015年時將達到8億美元。在Cree公司的成果宣佈之後，其在大津的代表團齊聚一堂並大肆慶祝一番，他們有信心將到處收割產業擴張所帶來的的利益。許多的其它公司可能也具有同樣的信心，但是SiXON事件已經顯示SiC晶圓製造商之間的競爭是如何地更加強硬。也許，在如此一個堅固平衡的行業之中，每一個公司為了達成突破性進展與領先競爭者的動機，將促進啟動SiC元件的成長突飛猛進並遠遠高於預期。