文︱Sophia

图︱网络

众所周知，所谓半导体材料是具有半导体性能，能够用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。常见的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体两大类。元素半导体：单一元素组成的半导体。例如第一代半导体材料，锗、硅等；化合物半导体：由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。例如碳化硅，氮化镓（GaN）。

目前半导体材料已经发展到第三代。相比于第一二代，具有高热导率、高击穿场强等优点，应用前景广泛，能够降低50%以上的能量损失，最大可使装备体积缩小75%以上。作为第三代半导体材料中的重要一员，碳化硅有着怎样属于它的故事呢？

什么是碳化硅？

碳化硅（SiC）又名金刚砂，乍一听想必它与金刚石有点渊源，事实还真是如此。年美国人艾奇逊在进行电熔实验时偶然发现了这种碳化物，误以为是金刚石的混合体，便赐它“金刚砂”一名。

碳化硅（SiliconCarbide）是C元素和Si元素形成的化合物。自然界中也存在天然SiC矿石（莫桑石），然而因其极其罕见，仅仅存在于年代久远的陨石坑内，所以市面上的碳化硅绝大多数都是人工合成物。纯的SiC晶体是无色透明物，工业生产出的碳化硅由于其含有铁等杂质，往往呈现黑色或绿色。

优势

目前已发现的碳化硅同质异型晶体结构有多种，其中六方结构的4H型SiC（4H-SiC）具有高临界击穿电场、高电子迁移率的优势，是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料，也是目前综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料。

来源：中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟

性能特征注解：

禁带宽度：禁带宽度越大，耐高电压和高温性能越好。禁带宽度与发光波长成反比。

电子迁移率：数值越大，电流承载能力以及高频、高速信号处理能力越强。

饱和电子漂移速度：结合相对介电常数，兼具高电子饱和漂移速度与低介电常数的半导体材料具有更高的频率特性。

热导率：数值越大，散热能力越强。

与第一代半导体材料硅等单晶半导体材料相比，碳化硅具有以下优势：

（1）临界击穿电场强度是硅材料近10倍；

（2）热导率高，超过硅材料的3倍；

（3）饱和电子漂移速度高，是硅材料的2倍；

（4）抗辐照和化学稳定性好；

（5）与硅材料一样，可以直接采用热氧化工艺在表面生长二氧化硅绝缘层。

如何生产？

碳化硅作为一种半导体材料，对于半导体产业链而言，主要包括衬底——外延片——芯片、器件、模块——应用这几个部分。

衬底（SiC晶片）

目前SiC衬底的制备过程大致分为两步，第一步制作SiC单晶；第二步通过对SiC晶锭进行粗加工、切割、研磨、抛光，得到透明或半透明、无损伤层、低粗糙度的SiC晶片。

现阶段，制备SiC单晶的方法有籽晶升华法、高温化学气相沉积法（HTCVD）和液相法（LPE），不过后两种方法目前还不成熟。籽晶升华法，又称物理气相传输法（PVT)。其原理是在超过0℃高温下将碳粉和硅粉升华分解成为Si原子、Si2C分子和SiC2分子等气相物质，在温度梯度的驱动下，这些气相物质将被输运到温度较低的碳化硅籽晶上形成4H型碳化硅晶体。通过控制PVT的温场、气流等工艺参数可以生长特定的4H-SiC晶型。

(来源：·LED配套材料产业发展交流对接会）

外延材料

与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上。必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件。目前，主要的外延技术是化学气相沉积（CVD），通过台阶流的生长来实现一定厚度和掺杂的碳化硅外延材料。随着碳化硅功率器件制造要求和耐压等级的不断提高，碳化硅外延材料不断向低缺陷、厚外延方向发展。近年来，薄碳化硅外延材料（20μm以下）的质量不断提升，外延材料中的微管缺陷已经消除。随着外延生长技术的进步，外延层厚度也从过去的几μm、十几μm发展到目前的几十μm、上百μm。

国际上碳化硅外延材料技术发展迅速，最高外延厚度达到μm以上。其中，20μm及以下的外延技术成熟度较高，表面缺陷密度已经降低到1个/cm2以下，位错密度已从过去的个/cm2，降低到目前的个/cm2以下，基平面位错的转化率接近%，已经基本达到碳化硅器件规模化生产对外延材料的要求。近年来国际上30μm~50μm外延材料技术也迅速成熟起来，但是由于受到市场需求的局限，产业化进度缓慢。目前批量碳化硅外延材料的产业化公司有美国的Cree、DowCorning，日本昭和电工（ShowaDenko）等。

器件

碳化硅半导体功率器件主要包括二极管和晶体管两大类。其中二极管主要有结势垒肖特基功率二极管（JBS）、PiN功率二极管和混合PiN肖特基二极管（MPS）；晶体管主要有金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、双极型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和门极可关断晶闸管（GTO）等。

SiC-MOSFET是碳化硅电力电子器件研究中

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