傳統的半導體材料如以硅、ＧａＡｓ等在微電子、光電子等領域應用廣闊，然而隨著技術的不斷進步，受材料性能所限，這些傳統半導體制成的電子器件，很難滿足于現代電子技術對于高溫、高頻、高壓等工作條件下的新要求，而以 ＳｉＣ 為代表的新型半導體材料，所具有的禁帶寬度大、熱導率高、臨界擊穿電場高等特點，在高頻大功率器件、高功率密度、高集成度器件及小型化半導體器件等領域備受青睞［１］。

 

碳化硅材料是由Ｓｉ和 Ｃ兩種元素，按照相同的化學計量比結合而成，其基本結構單元為Ｓｉ－Ｃ四面體，并以堆垛的方式結合在一起，每層密排結構中每個原子都與四個異種原子以ｓｐ３雜化結合在一起，結構相對穩定，但層與層之間的鍵能較弱，堆疊位置各異，這也導致ＳｉＣ 晶體具有較多的同質多形體。

目前已被發現的有２５０多種異晶型，其晶型結構可分為立方（Ｃ）、六方（Ｈ）、菱方（Ｒ）三種基本結構，且均可轉化為六方結構進行描述，如圖１所示，將每層Ｓｉ－Ｃ單元以六方密排的形式堆積，可以看出密排面上的原子層存在著三種不同的堆疊位置，即 Ａ、Ｂ、Ｃ。按照全同粒子的密堆積原則，相鄰密排原子層必須以原子間隙對準，即在參考原子層上下相鄰的兩個層面有且只有兩種對準方式，假設 Ａ 原子層為第一層結構，則第二層結構則為 Ｂ、Ｃ中的一種，第三層則為異于第二層排列中的一種，如此往復，按照一定的周期進行排列，得到具有不同結構的碳化硅單晶。

 

 

表１為幾種常見的碳化硅單晶結構及性能指標。從表中可以看出，原子排列方式的不同，不僅僅體現在晶體結構和類型上，其物理性質，如載流子遷移率、帶隙、擊穿電壓等都存在著較大差異，這些差異性也使得不同晶體碳化硅材料制備得到的半導體器件，具有各自的固有特征，利用這一特性，可制作碳化硅不同多型，晶格完全匹配的異質復合結構，得到性能更為優異的半導體器件。
 

碳化硅晶型的多樣性也是獲取單一晶型的難點之一。制作高壓大容量碳化硅功率半導體器件，要求晶體材料所具有的大直徑、應力應變小、位錯缺陷少，晶型單一等品質，就必須著手解決異晶型夾雜以及晶型間相互轉化的問題。異晶型夾雜是指生長出的晶體，具有多種晶型結構，其問題主要歸咎于生長條件及熱動力學條件等的限制，但迄今為止尚未找到一種合適的生長機制來闡述該種現象，仍需要科研工作者的進一步探索。多型體相互間的轉化，則是指晶體類型可以在一定條件下相互轉化，如圖２所示，當 Ｔ＞１４００℃，２Ｈ－ ＳｉＣ可以完全轉化為３Ｃ－ＳｉＣ，在１８００～２４００ ℃的溫度范圍內３Ｃ－ＳｉＣ將轉化為６Ｈ－ＳｉＣ，Ｔ＞２０００℃，４Ｈ、１５Ｒ又可向６Ｈ－ＳｉＣ轉化，Ｔ＞２５００℃高壓條件下，６Ｈ－ＳｉＣ可向３Ｃ－ＳｉＣ逆轉化。

 

 

傳統的第一、二代半導體Ｓｉ、ＧａＡｓ的制備均是采用液相生長法，其特點是比較容易控制，生長過程簡單，生長晶體的純度和速度較高，是生長晶體時優先選用的方法。但碳化硅材料晶體生長的特殊性，使得液相生長得到單晶碳化硅的條件極為苛刻［２］。如圖３為 Ｃ－Ｓｉ系統相圖，可以看出當 Ｔ＞２８３０ ℃，才可以得到熔融態碳化硅，而在１４１２～２８３０ ℃，Ｃ在 Ｓｉ中的溶解度僅為０．０１％～１９％，Ｃ、Ｓｉ化學計量比嚴重失衡，碳硅比不能按照１：１的比例排序，難以得到單晶碳化硅材料。

目前主流制備碳化硅單晶的方法為物理氣相傳輸法（ＰＶＴ法），其基本長晶原理如圖４所示，將粉末狀 ＳｉＣ 料源置于石墨坩堝底部，通過感應線圈利用集膚效應加熱坩堝，達到一定溫度后料源分解為Ｓｉ２Ｃ、Ｓｉ、ＳｉＣ２ 等氣體，自由揮發到坩堝頂部的籽晶區域，經過一系列化學反應后再次生成 ＳｉＣ，并經由一定的軸向及徑向溫度梯度在籽晶表面結晶，得到具有一定結構的單晶碳化硅。

目前制約著碳化硅晶體品質的關鍵指標主要有：碳化硅粉料質量、仔晶的粘結、溫場的設計和保溫材料的選擇，晶體生長工藝。其中每一項指標影響著最終碳化硅晶體的成品率和晶體品質。碳化硅粉料的制備多采用改進高溫自蔓延法，在高溫條件下高純碳和高純硅混合加熱，并清洗除雜后得到高純碳化硅粉，合成工藝的選擇、碳硅粉的顆粒度降決定著最終得到碳化硅粉料的顆粒度、純度。仔晶的粘結要確保和石墨鍋蓋之間沒有貼合緊密，沒有縫隙，微通道等，否者將會在晶體生長的過程中影響仔晶表面的溫場分布，影響晶體品質。溫場的設計要確保溫場分布的均勻性，在加熱的過程中使粉料受熱均勻，揮發氣氛能夠在坩堝中平穩升華，保溫材料的選擇是確保溫場穩定的關鍵因素之一，也是用來調節晶體生長時徑向和縱向溫度梯度的必要手段。晶體生長工藝的選擇需和晶體生長爐匹配，由于目前碳化硅晶體生長還未成熟，國際國內也沒有統一的標準，各研究機構通常都是自行設計晶體爐，同時，由于碳化硅晶體長晶的特殊性，晶體生長的過程中各參數難以實時掌控，所以晶體爐長晶需要根據經驗推測，因此其 工 藝 也 難 有 統 一 標準。
 

碳化硅材料的蓬勃發展，其應用領域也越來越廣闊，電源是功率器件市場最大的一個應用領域。電源功率的不斷增大，對于其所用的 ＰＦＣ（功率因數校正）電路及功率變換器提出了更高要求，如要求其轉換效率更高、體積更小、重量更輕等。這些新要求為ＳｉＣ電力電子器件的發展提供了契機。
 

在全球大力提倡利用綠色環保可再生能源，光伏發電、水力發電、風力發電獲得了迅速發展。不過，當前 Ｓｉ基電力電子器件功率損耗大、效率較低，與之相比，ＳｉＣ 功率器件具有體積小、頻率高、效率高、能耗低、可靠性高、穩定性好等優勢，不但有益于清潔能源的利用，而且有益于電網的安全和穩定。電網中的高壓直流輸電、柔性輸電技術、負荷側的電機變頻控制等方面對功率器件也形成了大量的需求，ＳｉＣ 電力電子器件可以用來升級供電電網，這些器件可以優化電力分配系統，使電網的效率更高、切換更快，特別是遠距離輸電線路。新能源汽車的廣泛使用可極大地降低環境污染，但，重量、體積和成本是制約其發展的關鍵因素，通過使用ＳｉＣ電力電子器件，在減小尺寸、重量和成本的同時，還可改善系統的效率。ＳｉＣ 器件在軌道交通和智能家居等領域也表現突出［３］。可以看出，技術升級，產品更新換代，需求的不斷升級，都為碳化硅產業的發展提供強勁動力。
 

目前，國際上碳化硅產業化的公司主要有：美國 Ｃｒｅｅ、德國ＳｉＣｃｒｙｓｔａｌ、日本三菱等，在碳化硅晶體的生長和應用領域都著產業布局。而國內主要包括：中電二所、天科合達、上海硅酸鹽所、山東天岳。不過隨著我國對半導體產業的持續推進，一大批企業也積極投身于碳化硅材料的產業化當中。如上市公司三安光電擬斥資１６０億在長沙投建第三代半導體產業園，露笑科技斥資百億在合肥打造第三代半導體產業園，還有一批諸如南砂晶圓半導體公司、深圳第三代半導體產業研究院、比亞迪等都紛紛加碼，有力的促進可我國碳化硅產業的發展。老牌企業如中電二所、天科合達等也不斷擴大產能，甚者翻倍。根據Ｙｏｌｏ公司統計，２０１７年４ｉｎ碳化硅晶圓市場接近１０萬片；６ｉｎ碳化硅晶圓供貨約１．５萬片；到２０２０年，４ｉｎ碳化硅晶圓的市場需求保持在１０萬片左右，單價將降低２５ ％；６ｉｎ碳化硅晶圓的市場需求將超過８萬片。預計２０２０～２０２５年，４ｉｎ碳化硅晶圓的單價每年下降１０ ％左右，市場規模逐步從１０萬片市場減少到８萬片，６ｉｎ晶圓將從８萬片增長到２０萬片；２０２５～２０３０年，４ｉｎ晶圓逐漸退出市場，６ｉｎ晶圓將增長至４０萬片，前景可期。
 

隨著我國碳化硅產業的不斷投入，制約著產業化發展的諸多瓶頸也逐步被一一攻克，并且有著良好的市場態勢，使得碳化硅產業能夠形成研發—市場雙循環格局，將碳化硅晶體的發展推向新的高度。再加之，我 國 政 府 對 半 導 體 產 業 的 持 續 投入，相信未來我國ＳｉＣ產業的發展一定能打破國際上的技術壁壘，在全球化發展的格局中占有一席之地。

 

來源：廣州半導體材料研究所  

作者：馬原原，劉軍，張雅麗，劉紀岸，姚永紅