反超Cree！這家SiC公司是如何做到的？

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2022-03-17 08:39:46 1

2005年，II-VI的碳化硅襯底開發還很緩慢，但是到了2020年，II-VI的半絕緣型SiC襯底營收就超越了Cree。Yole報告顯示，2020年II-VI的市占率從2019年的27%增至35%，而Cree則從42%降至33%。

今天，就跟大家聊聊，II-VI是如何趕超Cree？II-VI的半絕緣SiC為何這么強？

沉舟側畔千帆過

Cree一枝獨秀

前段時間，美國空軍研究實驗室（AFRL）的J. D. Blevins發表一篇報告，介紹了美國SiC產業的發展歷程。

據介紹，北卡羅來納州立大學很早就進行SiC升華生長研究，憑借所多項關鍵專利，1987年Cree-Research正式成立，并于1991年成為*家提供商業化碳化硅的公司。

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圖1.Cree25mm 6H-SiC襯底和6H-SiC Lely片晶。

除了 Cree-Research外，1990年代初期，西屋科技中心和先進技術材料公司(ATMI)也都積極參與SiC的研究和開發。

不過，早期的SiC升華生長研究充滿坎坷，存在種種難以克服的技術挑戰，包括微管、摻雜、多型控制、直徑膨脹和晶體缺陷等。

Cree-Research于1991年和1998年分別推出了25mm 6H SiC和50mm 4H SiC。盡管有多個供應商生產類似產品，但價格都很昂貴，而微管密度超過100cm-2 。

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圖 2. 早期升華法碳化硅單晶供應商和規格。

為了推動SiC實現更廣泛的商業化，1999 年，美國《國防生產法案》“Title III計劃”為SiC行業提供了急需的啟動資金，美國空軍為3家公司提供了“成本分攤合同”，包括Cree-Research、Sterling (ATMI)和Litton-Airtron，目標是將SiC襯底直徑擴大到75mm，并提高晶體質量。

2002年開始，美國國防*研究計劃機構的WBGS計劃也高度關注寬帶隙半導體材料的開發，Cree和Sterling都獲得了相關合同，目標是將N型和半絕緣SiC襯底直徑擴大到100mm，并將微管密度降低到1cm-2以下。

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不過，并不是所有獲得資助的企業都發展地很好。

2000年12月，Litton Industries以38億美元（約245億人民幣）或每股80美元的價格被Northrop Grumman收購。2001年底，Litton-Airtron的SiC研發部門又被II-VI收購。

2002年，在獲得DARPA合同的幾個星期后，Sterling的母公司Uniroyal Corporation就申請破產，導致關鍵技術人員外流。道康寧立即收購了Sterling。

而且，早期的SiC技術開發遠未能實現合同計劃目標。從下圖可以看出，Cree的品質明顯優于競爭對手。

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圖4.2002年左右，Cree 75mm、DOW 75mm和II-VI 50mm 4HN SiC （上）和半絕緣 SiC的交叉偏振圖像（下）。

2005年，DARPA對SiC襯底的支持基本結束，只有Cree顯示出加速SiC襯底商業化的強烈跡象。而當時，道康寧的研發依舊掙扎，而II-VI的進展也很緩慢。

隨后，DARPA將投資主要集中在SiC功率開關和GaN RF器件上，Cree的襯底業務從中受益。

為避免一家獨大

美國扶持II-VI

WBGS停止資助后，Title III計劃繼續推動SiC襯底的發展，通過提供超過7500萬美元（約4.84億人民幣）政府資金，與Cree(Wolfspeed)、Raytheon、Northrop Grumman 和 Triquint (Qorvo) 合作，提高*代GaN HEMT的可制造性。

2000年代初期，Cree繼續在SiC襯底技術開發和推廣等方面處于*地位，通過垂直整合，他們能夠通過內部使用需求直接推動材料質量的改進，但這也意味著他們襯底和外延客戶也是他們的主要競爭對手。

美國認為，SiC襯底只有單一供應商，可能會阻礙產業的發展，純SiC襯底供應商對SiC和GaN器件技術的長期開發和商業化至關重要。

于是，從2003年-2017年，AFRL向II-VI公司提供了4份大合同，合計超過3.5億人民幣。

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前兩份合同的主要目標是將4HN SiC的直徑擴大到100毫米。不過，當時II-VI的100 mm半絕緣6H SiC邊緣區域布滿成形晶粒和其他缺陷，微管密度達到117cm-2（下圖）。

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因此，在支持II-VI的同時，AFRL也支持Intrinsic開發SiC。Intrinsic是由Sterling被收購后的關鍵人員組成。

在不到兩年的時間內，Intrinsic 迅速成功地展示了高質量的100-mm SiC。更重要的是， 2005年9月，Intrinsic率先發布了零微管 (ZMPTM)4HN SiC（下圖）。

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但是2006年7月，Cree收購了Intrinsic。2007年，Cree發布了100mm 4HN ZMPTM SiC，以及100 mm半絕緣SiC。

好在II-VI的研發也有進展，在2003-2010年期間，II-VI將晶體直徑從50毫米擴大到100毫米，也發布了100毫米4HNSiC和半絕緣SiC。

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圖釋：II-VI 100-mm半絕緣6H SiC襯底（上）和100mm 4HN SiC襯底（下）。

2010年底，AFRL與II-VI簽訂了最大的合同——超過2000萬美元（約1.3億人民幣），重點是開發和商業化6英寸的4HN SiC和半絕緣6H SiC，以及繼續將直徑擴展到8英寸。

獲得資助后，II-VI對設施和設備進行了大量投資，包括擴建新澤西州工廠，并且在密西西比州建立兩個制造工廠。

最終，II-VI依靠其*專利的*物理氣相傳輸 (APVT)和軸向梯度傳輸 (AGT)晶體生長技術，實現了6英寸和8英寸SiC單晶的目標。

II-VI分別在2013年和2014年展示了無微管100mm 6H半絕緣和150mm 4HN SiC；2015年7 月，成為了首家展示8英寸4HN SiC的企業。

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2017年3月，AFRL為II-VI提供了第四個合同，為期 5 年，政府資助1200萬美元（約7748億人民幣）。這項工作的重點是提高制造效率、減少缺陷和降低成本，以生長和制造200毫米的4HN SiC和半絕緣SiC。

這些無缺陷的大直徑晶體是使用新的全自動生長平臺生長的，而且，II-VI成功將200mm 4HN SiC的位錯密度降低到1881cm-2 ，其中包括598 cm-2的螺桿密度和272 cm-2的基面密度。

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在半絕緣碳化硅方面，II-VI使用釩補償在帶隙內引入深能級，是使用釩摻雜的半絕緣SiC*市場供應商，其可再現和高度均勻的電阻率超過1011Ω·cm。

2019年10月，II-VI 在業界*展示了200 mm的6H半絕緣SiC。

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在過去的 30 年里，美國國防部為寬帶隙半導體資助超過10億美元（約64.57億人民幣），可以說催生了一個全新的行業。Cree Research、Westinghouse、Northrop-Grumman、ATMI、Sterling、Litton-Airtron、Dow 和 Intrinsic 等公司，有些被并購，有些已經消失。而Wolfspeed-Cree、II-VI“勝者為王”，目前兩家企業的全球市占率合計超過70%。

近年來，隨著SiC商業和軍事需求迅速增長，這兩家企業也在不斷擴產。2019年9月，Wolfspeed-Cree宣布承諾投資10億美元建立全球最大的 SiC 功率和射頻制造工廠。而II-VI繼續擴大新澤西州、賓夕法尼亞州和馬薩諸塞州的制造產能。

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