主编寄语：第三代半导体电力电子产业瓶颈

 

《化合物半导体》主编 陆敏博士

 

第三代半导体其实在光电领域，具体讲在半导体照明及显示领域早已取得了辉煌的成就，这其中包括缔造了 2014 年的诺贝尔物理学奖，以及每年实现数千亿美元的产值。当然现今我们提到第三代半导体主要指微电子或功率应用领域，包括电力电子和微波射频。

 

2001 年英飞凌推出的 SiC 肖特基势垒二极管，这是第一款上市的宽禁带电力电子产品，开启了碳化硅电力电子产业的开始。2010 年碳化硅 MOSFET 开始批量生产，加速了碳化硅电力电子产业的发展。硅基氮化镓功率应用相对滞后些，2012 年 Transphorm 推出业内首个符合JEDEC 标准的 600V GaN FET，氮化镓电力电子器件增强了市场的信任。

 

现今由于碳化硅材料质量远高于氮化镓，碳化硅占据了近 90% 的第三代半导体电力电子器件市场。虽然第三代半导体器件性能优越，但在电力电子应用市场的总体渗透率还不到 5%，这有诸如终端应用习惯、电路拓扑结构、开关器件驱动、封装技术等问题，但最核心的问题，或者说产业瓶颈在于 ：对碳化硅而言是衬底价格太高，虽然近几年随着市场需求的大幅提升及碳化硅衬底制造技术发展促进良率的提升，碳化硅衬底价格都在逐年下降，但还是很高，价格大概是相同尺寸硅衬底的 60 倍以上，器件成本中碳化硅衬底占比高达 50% 左右，从而最终导致碳化硅器件价格居高不下。

 

对氮化镓而言是器件可靠性问题，硅基异质外延导致氮化镓中高缺陷密度，以及器件横向结构导致器件反向耐压及漏电流特性受限，虽然价格比较亲民，但是暂时主要在消费电子的快充领域暂露身手。

 

如何有效快速的降低碳化硅衬底成本，将是实现第三代半导体电力电子产业高速腾飞的关键所在。方法有四，一是增加产能规模，通过规模效应摊薄研发成本及人力成本 ；二是引入智能制造手段，通过高效的数据及流程管理，增加生产效率 ；三是继续提高并优化现有 PVT（物理气相传输）长晶技术，改善切磨抛工艺，提高碳化硅衬底综合良率 ；四是开发颠覆性创新技术（如液相熔体长晶技术、激光切割技术、Grinding 技术等），突破现有传统技术的极限瓶颈，实现成本的显著下降。

 

方法一及二属于非技术手段，改善空间有限，方法三由于 PVT 技术的固有秉性（生长速度慢、扩径难、长厚难等）导致改善空间也受限，估计通过前三个方法，碳化硅衬底价格能降到硅衬底 20 倍左右。再进一步降低就必须依靠方法四了，这也正是技术创新的魅力，其实在很多领域都是如此，产业问题及瓶颈孕育着技术创新，技术创新又推动着产业的发展和变革。

 

第三代半导体电力电子产业瓶颈也必将被创新技术所突破，成就第三代半导体产业的辉煌！

 

（本文为《化合物半导体》2021年2/3月刊编者语）