导语

美国阿肯色大学已开始建设国家多用户SiC（碳化硅）研究和制造设施（MUSiC，Multi-User SiC Research and Fabrication Facility）。这个新的半导体研究和制造设施能够制造硅或SiC芯片，使政府、企业和大学能够制造SiC原型，从而引进美国目前没有的能力。

据美国大学杰出的电气工程教授、MUSiC的首席研究员介绍Alan Mantoth，该设施将为大批量制造提供低批量原型设计，借以弥合传统大学研究与私营企业需求之间的差距。

他说：“我们的目的是通过提供一个从开发研究到原型设计、测试和制造芯片的单一位置，加速半导体的劳动力发展和技术进步。”他补充道：“有了MUSiC，这所大学可以开始培训下一代各种学位水平的人才，为半导体制造业的国内供应商提供训练有素、受过良好教育的人才。我们的培训同样适用于硅、SiC和其他材料。”

除了Alan Mantoth，该项目的联合首席研究员还包括杰出的物理学教授Greg Salamo、电气工程副教授Zhong Chen、电气工程系商务和运营经理Shannon Davis，以及来自德州X-FAB公司的前任碳化硅技术主管John Ransom，后者将负责MUSiC研究和制造设施的指导工作。

钱是哪里来的？

该校官方表示，阿肯色大学的这个国家级SiC研究制造中心获得了美国国家科学基金会（NSF）提供的1800万美元资助，另有美国陆军研究实验室的额外支持。

这些资金将用于阿肯色大学建造和运营国家碳化硅研究和制造设施。该设施第一阶段对现有洁净室实验室的扩建，明年将开始运营。Alan Mantooth透露，新建的设施预计将在2025年1月完工，届时MUSiC将全面启用。

据了解，美国国家科学基金会提供的资金将用于基础设施、设备和技术安装，以及支持人员和研究人员的费用。通过将该大学几十年的碳化硅研究经验与先进设备相结合，生产出可在极端温度条件下运行的先进集成电路，让电子系统更轻、更快、更节能。

NSF资金将支付基础设施、设备、技术安装和现有设施的改进，以采购新的设备。资金还将包括三名全职工作人员、一名博士后研究员四年以及用于设置和操作设备的杂项用途。

研发面临的挑战

Alan Mantoth认为，由于需要处理的缺陷较多，8英寸碳化硅晶圆的开发工作仍在进行中，这使得碳化硅的制造成本相对于硅来说更高。不过，随着技术的进步和规模经济效益的实现，预计碳化硅将变得更具成本效益，进一步推动其在各种应用中的采用。

他指出，与使用硅制造的IC相比，设计和制造碳化硅IC面临着独特的挑战。硅掺杂可以在适当的工艺温度下扩散，从而能够精确控制结深度、载流子密度和迁移率。而在碳化硅中，掺杂流动性较差，扩散受限，需要多次注入才能实现所需的掺杂分布和深度。这也增加了额外的步骤和成本。

另外，碳化硅具有独特的材料特性，需要进行更高温度的处理，例如注入后的晶圆退火，需要开发相应的替代技术来解决这个问题。

Alan Mantoth表示：“在碳化硅领域的持续研究工作有望取得突破和进展。为获得更高质量的原材料在新设备、新材料和晶片开发工艺方面进行的创新特别令人兴奋。碳化硅生态系统从制造到设计、CAD工具和产品的发展速度令人震惊。”“尽管面临这些挑战，阿肯色大学建立的国家级碳化硅研究和制造中心将加速碳化硅集成电路的进展，并为各个领域的尖端技术发展做出贡献。”他说。

对行业的影响

几十年来，大多数电子设备使用的芯片都是由硅制成。碳化硅半导体具有卓越的物理特性，如高机械、化学和热稳定性，其宽带隙和高热稳定性能够使设备能够在极端温度条件下运行，从而改变电力电子行业。

碳化硅是一种非常适合高温环境的半导体器件。虽然对碳化硅的研究已经持续了很长时间，但直到最近，由于无法获得高良率的碳化硅晶圆，用它大规模制造半导体器件的努力受到了一定的限制。

目前，美国所有的碳化硅制造设施仅供公司内部使用，美国碳化硅集成电路的研发也依赖于国际制造。阿肯色大学的MUSiC是一个新的开放式设施，将填补美国生产碳化硅制成的集成电路的空白，解决美国国内碳化硅集成电路产能不足的问题，同时为外部工程研究人员提供原型制作、演示和器件设计的机会。

该设施将提供价格合理的碳化硅集成电路和功率器件的小批量制造能力，为研究人员、初创企业和其他公司提供平台，进行新设备、电路、设备和制造流程的试验和评估。虽然不是大批量生产，但其目标是实现与大批量制造商的工艺兼容性，有助于轻松地从小批量原型转向大批量生产。

该设施的潜在应用非常广泛，如军事、工业、汽车电子、重型运输、建筑设备，也包括地热和航空航天等领域。这样的制造设施对美国和整个行业的影响不可小觑，在推进碳化硅半导体设计和制造方面，有可能引领改变行业游戏规则的新技术，特别是在军事应用方面，碳化硅可用于混合动力或全电动车辆、无人机、雷达系统、武器装备、船岸电网连接等。

在工业领域，基于碳化硅的器件可用来监测工业过程和设备的健康情况，对化学和电气操作等高温过程进行控制。例如，将碳化硅用于天然气涡轮机的健康监测，或用于飞机发动机、柴油机和其他系统的感知和控制。

除了推动研究进展，该设施的作用还体现在培养下一代半导体研究人员和工程师方面，可以让学生接触迎合市场需求的科学技术。

Alan Mantooth及其他阿肯色大学的电气工程研究人员在碳化硅方面拥有数十年的工作经验，是少数能够利用强大的半导体开发集成电路的大学研究小组之一。将这种专业知识与尖端设备和基础设施相结合，将有助于培养下一代半导体研究人员和工程师，弥补过去美国供应商离岸生产造成的人才缺口。

总而言之，MUSiC将成为美国大学和行业研究硅碳化物制造和器件技术方面的重要桥梁。它将促进技术从理念到概念验证再到功能原型的转变，释放科研创造力，推动硅碳化物研究的创新。

未来，碳化硅半导体技术的发展将遵循两条路线：碳化硅将以其卓越性能提供的显著系统级优势取代硅，开辟硅基解决方案无法覆盖的新领域，创造新的市场和可能性。