碳化硅(SIC)和氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)半导体正在推动电力电子领域的新一轮创新浪潮。SiC的带隙约为传统硅(Si)的三倍，使其临界电场强度提高了近十倍。

这使得SiC单极器件(如肖特基二极管和mosfet)能够在数千伏(kV)范围内高效运行，而这对于硅基技术而言传统上颇具挑战性。此外，这些器件在部分负载条件下具有更低的导通损耗，并显著降低了开关损耗，使得SiC对汽车牵引逆变器、数据中心和光伏(PV)系统等要求严苛的应用极具吸引力。

相比之下，氮化镓(GaN)凭借其优异的电子迁移率和更低的电容，在高频和中低压应用中表现出色。这些特性使其能够实现极快的开关速度和高功率密度，非常适合紧凑型电源、服务器架构和快速充电器。随着效率和小型化日益重要，GaN在消费电子和数据中心功率转换级中正获得强大的发展势头。

在电气化趋势和可再生能源系统快速增长的推动下，基于WBG的器件已实现显著的市场渗透。同时，由云计算和人工智能工作负载推动的超大规模数据中心的扩张，正进一步加速对高效率WBG功率半导体的需求。这些发展也正在重塑功率半导体供应链。

产品开发周期正在缩短，传统角色也在演变，尤其是在汽车领域，原始设备制造商(OEM)和一级供应商越来越多地参与功率模块和芯片的开发。然而，WBG制造所需的高额资本投资和专业知识仍然是主要的进入壁垒。

这正是三安半导体作为专业化半导体代工厂发挥关键作用之处，它提供可扩展的制造平台，使得无晶圆厂公司和系统创新者能够在无需大量前期投资的情况下，获得先进的SiC和GaN技术。除了制造能力，三安还通过成熟的工艺设计套件(PDK)、标准化平台和大规模生产能力，支持客户更快地将产品推向市场。

凭借其垂直整合的WBG制造平台，三安为客户提供了在整个价值链上(从晶体生长和衬底到外延、器件制造、封装和最终测试)制造WBG半导体所需的专业知识、规模和灵活性。服务于多个客户和市场进一步实现了规模经济，有助于降低整体成本并扩大WBG技术的应用范围。

垂直整合的先进WBG超级工厂， leveraging 20+年化合物半导体专业知识

2020年，三安建立了一个先进的垂直整合WBG超级工厂(图1)，占地超过165英亩，计划年产能约为50万片晶圆。该工厂投资超过20亿美元，支持在150毫米、200毫米和300毫米平台上从衬底到封装产品的SiC生产，以及从外延片到封装器件的GaN生产。

图1

这种广泛的能力使三安能够在价值链的多个阶段为客户提供服务。垂直整合使得对供应、质量和成本进行严格控制，在制造一致性和可扩展性方面创造了显著优势。这些优势得到了超过20年化合物半导体技术经验的支持，包括GaAs、GaN、InP、铌酸锂(LN)和钽酸锂(LT)，服务于光电子、射频系统、光器件和电力电子等应用。

掌握材料是WBG半导体成功的关键!

WBG材料的制造与传统硅工艺有显著不同。以SiC为例，单晶通常采用升华法生长，而硅晶体则从熔体中生长。此外，由于SiC材料的高硬度和脆性，以及加工过程中所需的高温，其衬底加工本身更具挑战性。这些因素不仅增加了生产成本，而且与硅技术相比，导致了更高的缺陷密度。

因此，对基础材料——以及缺陷在整个制造链中产生和传播的方式——的深入理解，对于实现高器件良率至关重要。认识到这一点，三安于2017年利用其在化合物半导体领域的丰富经验，启动了专门的SiC材料研发。

这一努力促成了采用专有工艺的室内高纯度SiC粉末生产，达到了99.9999%(6N)的纯度水平。这种纯度对于生产能够支持高良率器件制造的低缺陷衬底至关重要。此外，从粉末合成到最终封装的垂直整合制造链结构，使得所有阶段都能实现强工艺关联，支持提高质量和良率。

在数年成功的150毫米衬底生产基础上，三安于2025年发布了用于量产的200毫米SiC衬底。这些衬底在翘曲度、弯曲度和表面质量方面达到了行业领先的规格，并已通过全球主要客户的生产验证。图2显示了2025年发布用于量产的200毫米SiC晶锭(左)和衬底(右)。

图2

这些200毫米SiC衬底在德国埃尔兰根的弗劳恩霍夫集成系统和器件技术研究所(Fraunhofer IISB)进一步采用了X射线形貌术(XRT)进行了表征。图3展示了表征结果;(a)中显示的11-20平面的XRT形貌图揭示了极少可见位错。这一观察结果得到了(b)和(c)中显示的定量缺陷密度测量的进一步支持，它们分别表明了极低的穿透螺位错(TSD)和基平面位错(BPD)密度。具体来说，测得的TSD密度约为110 cm⁻²，而BPD密度约为35 cm⁻²，证明了制造可靠的高性能SiC器件所需的高晶体质量。

图3

300毫米SiC衬底产量正在提升

SiC衬底的一个新兴应用领域是增强现实(AR)和虚拟现实(VR)，在这些领域中，更大直径的300毫米衬底越来越受欢迎。预计在这些应用中，SiC衬底的市场将快速增长，2025年至2030年间的估计复合年增长率(CAGR)接近200%。除了AR/VR，SiC出色的电压阻断能力与其高热导率相结合，使其成为AI驱动系统中热管理解决方案的吸引材料。

特别是，SiC衬底非常适合作为先进封装架构中的散热片和中介层，在这些架构中，高效散热和电气隔离至关重要。总之，这些新兴应用正推动对大直径300毫米SiC衬底的强劲需求。为了响应这一不断增长的市场需求，三安已启动了300毫米SiC衬底的开发，这些衬底已向全球客户提供样品。

图4展示了150毫米、200毫米衬底以及正在提升产量的300毫米SiC衬底的产品组合，用于中介层、散热片和AR/VR系统等应用。向300毫米衬底量产过渡是支持下一代封装和高性能计算应用的重要一步。

图4

SiC/GaN外延片

SiC器件通常在衬底上生长的外延层上制造，其中外延层作为器件的漂移区。一个良好控制的外延工艺不仅对于防止漂移层中形成新缺陷至关重要，而且对于抑制源自衬底的残余致命缺陷的传播也至关重要。因此，高质量外延是实现高器件性能和高制造良率的关键因素。

三安已在150毫米和200毫米衬底上建立了SiC外延片的量产能力。该公司提供的外延厚度范围从用于汽车、消费和可再生能源系统中低压应用的几微米，到用于支持新兴超高压应用的150微米厚度，如下一节所述。

此外，还提供多层外延结构，支持先进的器件架构，如超结SiC MOSFET——这被广泛认为是SiC器件演变的下一步重大进展。也支持GaN-on-Si外延片，厚度范围从1.5微米到7微米。

用于10-20 kV器件的厚膜SiC外延

SiC器件正越来越多地被探索用于超高压电网应用，这些应用需要能够承受10-20 kV击穿电压的MOSFET和IGBT结构。达到这样的电压等级需要显著更厚的外延层——通常超过100微米——大约是目前SiC器件中常用厚度的十倍。

此外，这些结构需要极低的掺杂浓度，这给工艺控制带来了额外的复杂性。这些要求共同创造了新的制造挑战，包括三角形、坠落物和线性缺陷的增加，这些缺陷往往会随着外延厚度的增加而增长。保持对掺杂均匀性、晶圆弯曲度和翘曲度的严格控制也变得越来越关键。

克服这些挑战需要深厚的工艺专业知识和仔细的优化，不仅在外延生长方面，还在晶体生长和随后的抛光步骤中。通过持续的工艺改进和材料优化，三安已成功展示了厚度高达150微米的SiC外延层。这些进步为未来电网基础设施的下一代超高压SiC MOSFET和IGBT技术奠定了基础。

面向先进WBG技术的解决方案型制造平台

为了帮助客户将创新概念快速转化为大批量产品，三安提供了一个全面的芯片设计平台。该平台包括参考工艺流程、TCAD和SPICE建模能力、定义版图规则的设计规则手册(DRM)、为特定技术节点提供完整设计工具包的工艺设计套件(PDK)，以及用于验证和维护工艺完整性的工艺控制监控器(PCM)。

基于此平台，三安发布了三代SiC MOSFET技术(图5)，覆盖从10 mΩ到1000 mΩ的导通电阻等级和从650 V到2000 V的电压等级。这些通过工业和汽车认证的器件可作为裸芯片以及标准分立封装(如TO247和D2PAK，包括顶面冷却和客户特定封装[1])提供。迄今为止，已有超过3亿颗SiC器件在广泛应用中出货，证明了该技术平台的成熟度和可扩展性。

图5

三安深厚的技术专长与大规模制造能力相结合，实现了一种解决方案型方法，公司可以充当开发者、制造商或两者兼有。灵活的工艺和制造平台允许客户将自己的技术扩展到大规模生产，同时针对特定应用需求定制器件特性。这种集成方法加快了初始原型制作和生产爬坡，实现了更快的上市时间和更早的收入产生。

先进应用需要先进的MOSFET技术

对于成本敏感的应用，基于标准铝正面金属化(FSM)的成熟SiC平面MOSFET平台提供了一个平衡良好的成本与性能解决方案。对于要求更苛刻的环境，可以提供镍钯金(NiPdAu) FSM以增强坚固性和性能，而对于需要最高可靠性水平的应用，则可提供基于铜的FSM。

图6

对于针对极低比导通电阻(即RdsA品质因数(FOM))的应用，正在引入基于沟槽MOSFET的平台(见图7)，其单元间距小于2微米，对于1200V器件，可实现低于1.6 mΩcm²的Rds*A(25°C)。此外，预计将于今年晚些时候发布的超结MOSFET技术平台(见图8)的开发，有望进一步改善器件FOM，实现显著的性能提升，并使SiC器件在整体成本-性能竞争力方面更接近硅。

图7

图8

批量交付高质量产品

除了规模，三安还高度重视稳健的质量管理和持续改进，以实现持续的高良率。其超级工厂已通过多项国际标准认证——包括ISO 9001、IATF 16949、QC 080000、ISO 14001、ISO 45001、ISO 27001、ISO 22301、ANSI/ESD S20.20、AEO、SA8000和C-TPAT——反映了对质量、安全、可持续性、安保和供应链卓越性的全面承诺。有害物质工艺管理(HSPM)依据QC 080000实施，而与ISO 14001一致的环境管理实践支持减少工厂的环境足迹。

为了进一步提高制造一致性和良率，在全自动8英寸生产线中部署了诸如SMIF(标准机械界面)和OHT(空中吊运车运输)等自动化技术，遵循全球最佳实践以最小化颗粒污染。三安的可靠性实验室已通过CNAS认证，不仅能够进行内部鉴定测试，还能为客户提供汽车级产品认证。此外，制造流程包括晶圆级老化(WLBI)和已知合格芯片(KGD)能力，而全面的故障分析(FA)实验室则支持快速的根本原因识别和简短的问题排查周期。

芯片能力辅以强大的封装生态系统

为了充分发挥WBG器件的优越性能，先进的封装技术至关重要。这些技术能够实现更低的寄生电感、改进的热管理和优化的布局以支持可靠的电流均流——同时保持有吸引力的性价比。作为垂直整合的制造商，三安为几种最先进的封装解决方案提供内部能力。

此外，公司还建立了由精心挑选的OSAT合作伙伴和设计公司组成的强大全球生态系统。这个合作网络使得能够快速定义、开发和生产客户特定的封装解决方案，确保为客户提供短周期的交付时间，并支持更快地部署高性能WBG产品。