SiC、GaN、Ga₂O₃等宽禁带半导体在功率器件、射频器件领域应用广泛，但高校研究中的核心矛盾是：外延片采购依赖进口，工艺能力参差不齐。
一、材料特性与加工难点
SiC的硬度问题
SiC的莫氏硬度是9-9.5，仅次于金刚石。这带来几个实际问题：
- 机械加工几乎不可能：传统刀具无法加工
- 刻蚀速率极低：ICP刻蚀速率通常<100 nm/min
- 抛光成本高：一片2英寸SiC的CMP成本可达数百元
贵州大学在GaN功率器件研究中使用纯氧ICP刻蚀，ICP/RF功率600W/300W，这个参数组合是经过多次优化才得到的——功率太低刻不动，太高会损伤表面。
GaN的化学稳定性
GaN的化学稳定性好是优点也是缺点：
- 刻蚀困难：需要高氯基气体
- 残留应力：外延层与衬底晶格失配
- p型掺杂：Mg激活效率低
飞秒激光加工GaN的优势是”冷加工”，但工艺窗口窄——能量密度稍高就会产生裂纹。
Ga₂O₃的潜力与局限
浙江理工大学2024年在Ga₂O₃磁控溅射上的研究，核心问题是：
- 外延生长：目前主流是EFG法，但质量不如SiC/GaN
- p型掺杂：至今未解决，只能做N型器件
- 热导率低：散热是瓶颈
Ga₂O₃的优势是禁带宽度大（~4.8 eV）、击穿电场高（8 MV/cm），如果能突破p型掺杂，应用前景广阔。
二、加工技术的分水岭
刻蚀：从RIE到ICP
| 技术类型 | 刻蚀速率 | 侧壁控制 | 损伤 | |———-|———-|———-|——| | RIE | 慢 | 一般 | 小 | | ICP | 快 | 好 | 较大 | | NLD | 中等 | 优秀 | 小 |
ULVAC的INE-3085 ICP刻蚀机在高校中有一定保有量，核心优势是400mm托盘可以处理多片，适合小批量生产。
抛光：从机械到化学机械
SiC的CMP难点：
- 材料硬：磨料选择受限（通常用金刚石或胶体硅）
- 化学惰性：化学反应慢，抛光速率低
- 成本高：抛光液和抛光垫都贵
TSD TMP-150A/200A在SiC抛光上的应用，关键是红外测温和摩擦力监控——这两个参数直接影响抛光均匀性。
激光加工：从连续到超快
| 激光类型 | 脉冲宽度 | 热影响区 | 应用 | |———-|———-|———-|——| | 连续 | — | 大 | 划片、退火 | | 纳秒 | 10⁻⁹s | 中等 | 表面结构化 | | 飞秒 | 10⁻¹⁵s | 极小 | 精密加工 |
合肥工业大学、厦门大学等在飞秒激光加工第三代半导体上的研究，已经从”能加工”转向”加工质量可控”——比如控制侧壁角度、表面粗糙度等。
三、高校的困境与机会
设备投入的两难
第三代半导体的加工设备动辄百万级，高校面临：
- 采购预算有限：只能配置1-2台关键设备
- 维护成本高：真空系统、射频电源维修费用高
- 工艺开发周期长：每种材料都需要重新优化参数
与产业界的协作
中微半导体（AMEC）2025年宣布ICP刻蚀精度达到0.1nm，这对高校是个机会——可以与设备厂商合作，共同开发第三代半导体工艺。
但合作的前提是：高校要有明确的工艺需求和专业的工艺团队。
四、技术演进方向
垂直结构器件
传统GaN器件是横向结构，电流在表面流。垂直结构可以实现：
- 更高的电流密度
- 更低的导通电阻
- 更适合高压应用
但垂直结构需要导热衬底（GaN单晶衬底），目前成本仍然很高。
异质集成
GaN-on-Si、Ga₂O₃-on-Si等异质集成方案可以降低成本，但需要解决：
- 晶格失配
- 热膨胀系数差异
- 界面态密度
新型加工技术
- 原子层刻蚀（ALE）：单层控制
- 选择性刻蚀：不损伤下层材料
- 激光退火：局部激活，避免整体加热
五、应用场景分析
电动汽车
- SiC MOSFET：主驱逆变器
- GaN DC-DC：车载充电器
对可靠性的要求远高于消费电子。
5G基站
- GaN HEMT：射频功率放大器
对线性度和效率都有高要求。
工业应用
- SiC二极管：功率因数校正
- GaN器件：高频电源
对成本敏感，但要求长期稳定。
六、高校布局建议
明确主攻方向
第三代半导体的研究方向很多：
- 材料生长 vs 器件设计 vs 工艺开发
- SiC vs GaN vs Ga₂O₃
- 功率器件 vs 射频器件
建议聚焦1-2个方向，做深做透。
重视工艺
- 建立标准化工艺流程
- 每个工艺节点都要有验证数据
- 与产业界保持紧密联系
培养人才
第三代半导体需要：
- 材料科学基础
- 微电子工艺
- 器件物理
- 可靠性工程
结语
第三代半导体的竞争力在于”全链条”能力——从材料生长到器件制造到可靠性验证。国内高校在某一两个环节上可能不错，但全链条能力仍然不足。
加强与产业界的协作、重视工艺开发、培养复合型人才，是提升整体竞争力的关键。
