如果硅(Si)和鍺(Ge)為代表的第一代半導體材料奠定了微電子產業的基礎，砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)為代表的第二代半導體材料奠定了信息產業的基礎，那么以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導體材料將是提升新一代信息技術核心競爭力的重要支撐。憑借禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大等特性，SiC器件備受期待，但工藝和成本成為其普及的障礙。不過，在可以預見的未來，我們將看到SiC對電動汽車行業產生的革命性影響，電動汽車也將引領SiC器件的普及。
SiC材料優勢明顯，但普及面臨兩大難題
現代電子技術對半導體材料提出了高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等新要求，安森美半導體寬帶隙高級產品線經理Llew Vaughan-Edmunds表示：“SiC和GaN均是寬帶隙第三代半導體材料，結合卓越的開關性能、溫度穩定性和低電磁干擾(EMI)，極其適用于下一代電源轉換，如太陽能逆變器、電源、電動汽車和工業動力。”
安森美半導體寬帶隙高級產品線經理Llew Vaughan-Edmunds
以SiC為例對比前兩代半導體材料， ROHM半導體(上海)有限公司設計中心高級經理水原 徳建 (Tokuyasu Mizuhara)告訴《華強電子》雜志記者：“SiC與Si相比，絕緣擊穿電場強度高約10倍，可達幾千伏特的高耐壓。另外Si在高耐壓化時導通電阻變大，為了改善這一現象，主要使用Si-IGBT，但存在開關損耗大的問題，而SiC單位面積的導通電阻非常低，可降低功率損耗，同時具有優異的高速開關性能。” 美高森美(Microsemi) SiC技術總監Avinash Kashyap博士表示：“對功率半導體來說，自上世紀90年代末推出硅超結(superjunction) MOSFET以來，SiC的出現已經是新一代量子飛躍。GaAs具有直接帶隙和高遷移性，但其主要應用限于光電子和高頻。SiC則擁有比Si (1.1 eV)和GaAs (1.39 eV)更寬的帶隙。”
ROHM半導體(上海)有限公司設計中心高級經理水原 徳建
具體來說，“SiC (2.2 MV/cm)的臨界電場數量級高于Si，使功率器件的漂移區薄10倍，顯著降低了導通狀態電阻，與功率等級相當的Si器件相比，SiC器件的芯片尺寸可以大幅縮小。SiC芯片不僅尺寸更小還可以使電容更低，這一特點加上更高飽和速度 (Si的兩倍)使SiC能夠在相對較高的頻率下工作。采用SiC器件的電路中可以使用更小的無源器件，降低開關損失和提高效率。最后，SiC更高的帶隙和熱導率 (Si的三倍)，使其可以在更高結溫 (175–200攝氏度) 條件下可靠地工作，從而降低或消除主動冷卻要求。” Avinash Kashyap博士補充解釋SiC器件的優勢。
美高森美(Microsemi) SiC技術總監Avinash Kashyap博士
不過，即便早在20世紀60年代碳化硅器件的優點就已經被人們所熟知，但實際情況是SiC器件目前仍未推廣普及。其中，SiC材料的外延工藝和價格是兩大阻礙。
微管缺陷已不是普及絆腳石 SiC器件可靠性同樣關鍵
SiC之所以普及受到阻礙，一大重要原因就是SiC缺少一種合適的用于工業化生產功率半導體器件的襯底材料。對Si材料而言，單晶襯底經常指硅片(wafer),它是從事生產的前提和保證。值得慶幸的是，20世紀70年代末一種生長大面積 SiC襯底的方法以研制成功，但是用改進的稱為Lely方法生長的襯底被一種微管缺陷所困擾。
Avinash Kashyap博士介紹，微管和基面滑移是SiC外延增長期間存在的主要缺陷。最初，微管限制了SiC基板可以使用的芯片尺寸，因為在存在微管的地方制造任何垂直器件將不可避免地失敗，過去十年，SiC芯片的這些缺陷已經大幅減少。由于最近幾乎不存在這種缺陷，因此可以制造出大面積SiC器件，且良率相對較高。現在，Microsemi已經可以提供極低甚至零微管缺陷的芯片，微管缺陷已不再是實現高良率工藝的絆腳石。
水原 徳建也表示：“最初開發的SiC產品受限于當時工藝和生產設備，可能在可靠性方面確實存在一些需要解決的問題。但如今，SiC的工藝已逐漸成熟，特別在車載領域已經有了很多應用的實績，可靠性得到了很好的驗證，這也使得SiC近幾年來在一些市場迅速取代傳統Si器件。”
除了缺陷密度問題，SiC界面狀態和表面粗糙度問題同樣需要解決，這些缺陷降低了器件的遷移性，妨礙材料的特性充分被利用。氧化層質量降低也會對器件的長期可靠性造成不良影響。Avinash Kashyap博士表示：“改善SiC中氧化層的質量是美高森美過去幾年的重點。我們通過先進的器件設計方法，降低介質界面的電應力，確保氧化層的穩健性。在制造階段，美高森美開發了采用幾個專有步驟的潔凈氧化工藝，降低了固有缺陷，并確保器件使用壽命較長。除設計和工藝改進之外，美高森美的SiC產品還將符合汽車AEC-Q101標準的要求。這是我們為自己設立的高標桿，確保向客戶提供市場上最可靠的SiC部件。”
Llew Vaughan-Edmunds也表示：“SiC基板處理、外延生長和制備等方面的進展大大降低缺陷密度到市場發布可接受的水平。隨著需求的增長，我們將看到持續的工藝改進及更高批量，但還需要顧及最終產品的篩選級別。安森美半導體具有獨特的方法實施于整個完整的工藝周期，以確保客戶獲得最高質量的產品。另一個重要的考量是SiC二極管/MOSFET的設計，SiC很多設計用于處理高應力，對于終端結構需要考慮很多以確保器件的強固性。安森美半導體擁有專利的終端結構，能為市場提供可靠性卓越的產品。”