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美國耗資1800萬美元打造碳化硅“校辦工廠”

導語

美國阿肯色大學已開始建設國家多用戶SiC(碳化硅)研究和制造設施(MUSiC,Multi-User SiC Research and Fabrication Facility)。這個新的半導體研究和制造設施能夠制造硅或SiC芯片,使政府、企業和大學能夠制造SiC原型,從而引進美國目前沒有的能力。

據美國大學杰出的電氣工程教授、MUSiC的首席研究員介紹Alan Mantoth,該設施將為大批量制造提供低批量原型設計,借以彌合傳統大學研究與私營企業需求之間的差距。

他說:“我們的目的是通過提供一個從開發研究到原型設計、測試和制造芯片的單一位置,加速半導體的勞動力發展和技術進步?!彼a充道:“有了MUSiC,這所大學可以開始培訓下一代各種學位水平的人才,為半導體制造業的國內供應商提供訓練有素、受過良好教育的人才。我們的培訓同樣適用于硅、SiC和其他材料?!?/p>


除了Alan Mantoth,該項目的聯合首席研究員還包括杰出的物理學教授Greg Salamo、電氣工程副教授Zhong Chen、電氣工程系商務和運營經理Shannon Davis,以及來自德州X-FAB公司的前任碳化硅技術主管John Ransom,后者將負責MUSiC研究和制造設施的指導工作。

錢是哪里來的?

該校官方表示,阿肯色大學的這個國家級SiC研究制造中心獲得了美國國家科學基金會(NSF)提供的1800萬美元資助,另有美國陸軍研究實驗室的額外支持。

這些資金將用于阿肯色大學建造和運營國家碳化硅研究和制造設施。該設施第一階段對現有潔凈室實驗室的擴建,明年將開始運營。Alan Mantooth透露,新建的設施預計將在2025年1月完工,屆時MUSiC將全面啟用。

據了解,美國國家科學基金會提供的資金將用于基礎設施、設備和技術安裝,以及支持人員和研究人員的費用。通過將該大學幾十年的碳化硅研究經驗與先進設備相結合,生產出可在極端溫度條件下運行的先進集成電路,讓電子系統更輕、更快、更節能。

NSF資金將支付基礎設施、設備、技術安裝和現有設施的改進,以采購新的設備。資金還將包括三名全職工作人員、一名博士后研究員四年以及用于設置和操作設備的雜項用途。

研發面臨的挑戰

Alan Mantoth認為,由于需要處理的缺陷較多,8英寸碳化硅晶圓的開發工作仍在進行中,這使得碳化硅的制造成本相對于硅來說更高。不過,隨著技術的進步和規模經濟效益的實現,預計碳化硅將變得更具成本效益,進一步推動其在各種應用中的采用。

他指出,與使用硅制造的IC相比,設計和制造碳化硅IC面臨著獨特的挑戰。硅摻雜可以在適當的工藝溫度下擴散,從而能夠精確控制結深度、載流子密度和遷移率。而在碳化硅中,摻雜流動性較差,擴散受限,需要多次注入才能實現所需的摻雜分布和深度。這也增加了額外的步驟和成本。

另外,碳化硅具有獨特的材料特性,需要進行更高溫度的處理,例如注入后的晶圓退火,需要開發相應的替代技術來解決這個問題。

Alan Mantoth表示:“在碳化硅領域的持續研究工作有望取得突破和進展。為獲得更高質量的原材料在新設備、新材料和晶片開發工藝方面進行的創新特別令人興奮。碳化硅生態系統從制造到設計、CAD工具和產品的發展速度令人震驚?!薄氨M管面臨這些挑戰,阿肯色大學建立的國家級碳化硅研究和制造中心將加速碳化硅集成電路的進展,并為各個領域的尖端技術發展做出貢獻?!彼f。

對行業的影響

幾十年來,大多數電子設備使用的芯片都是由硅制成。碳化硅半導體具有卓越的物理特性,如高機械、化學和熱穩定性,其寬帶隙和高熱穩定性能夠使設備能夠在極端溫度條件下運行,從而改變電力電子行業。

碳化硅是一種非常適合高溫環境的半導體器件。雖然對碳化硅的研究已經持續了很長時間,但直到最近,由于無法獲得高良率的碳化硅晶圓,用它大規模制造半導體器件的努力受到了一定的限制。

目前,美國所有的碳化硅制造設施僅供公司內部使用,美國碳化硅集成電路的研發也依賴于國際制造。阿肯色大學的MUSiC是一個新的開放式設施,將填補美國生產碳化硅制成的集成電路的空白,解決美國國內碳化硅集成電路產能不足的問題,同時為外部工程研究人員提供原型制作、演示和器件設計的機會。

該設施將提供價格合理的碳化硅集成電路和功率器件的小批量制造能力,為研究人員、初創企業和其他公司提供平臺,進行新設備、電路、設備和制造流程的試驗和評估。雖然不是大批量生產,但其目標是實現與大批量制造商的工藝兼容性,有助于輕松地從小批量原型轉向大批量生產。

該設施的潛在應用非常廣泛,如軍事、工業、汽車電子、重型運輸、建筑設備,也包括地熱和航空航天等領域。這樣的制造設施對美國和整個行業的影響不可小覷,在推進碳化硅半導體設計和制造方面,有可能引領改變行業游戲規則的新技術,特別是在軍事應用方面,碳化硅可用于混合動力或全電動車輛、無人機、雷達系統、武器裝備、船岸電網連接等。

在工業領域,基于碳化硅的器件可用來監測工業過程和設備的健康情況,對化學和電氣操作等高溫過程進行控制。例如,將碳化硅用于天然氣渦輪機的健康監測,或用于飛機發動機、柴油機和其他系統的感知和控制。

除了推動研究進展,該設施的作用還體現在培養下一代半導體研究人員和工程師方面,可以讓學生接觸迎合市場需求的科學技術。

Alan Mantooth及其他阿肯色大學的電氣工程研究人員在碳化硅方面擁有數十年的工作經驗,是少數能夠利用強大的半導體開發集成電路的大學研究小組之一。將這種專業知識與尖端設備和基礎設施相結合,將有助于培養下一代半導體研究人員和工程師,彌補過去美國供應商離岸生產造成的人才缺口。

總而言之,MUSiC將成為美國大學和行業研究硅碳化物制造和器件技術方面的重要橋梁。它將促進技術從理念到概念驗證再到功能原型的轉變,釋放科研創造力,推動硅碳化物研究的創新。

未來,碳化硅半導體技術的發展將遵循兩條路線:碳化硅將以其卓越性能提供的顯著系統級優勢取代硅,開辟硅基解決方案無法覆蓋的新領域,創造新的市場和可能性。



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