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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
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7748万人民币）。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。而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。
