碳化硅SiC是一種由硅﹙Si﹚與碳﹙C﹚以共價鍵為主結(jié)合而成的化合物,，其基本單元為Si-C四面體，其中Si原子位于中心,，周圍為C原子,。SiC所有的結(jié)構(gòu)均由Si-C四面體以不同的堆積方式構(gòu)成。目前已發(fā)現(xiàn)的碳化硅同質(zhì)異型晶體結(jié)構(gòu)有200多種,，其中六方結(jié)構(gòu)的4H型SiC（4H-SiC）具有高臨界擊穿電場,、高電子遷移率的優(yōu)勢，是制造高壓,、高溫,、抗輻照功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)良半導(dǎo)體材料，也是目前綜合性能好,、商品化程度高,、技術(shù)成熟的第三代半導(dǎo)體材料,，它具有：（1）臨界擊穿電場強(qiáng)度是硅材料近10倍；（2）熱導(dǎo)率高,，超過硅材料的3倍,；（3）飽和電子漂移速度高,，是硅材料的2倍,；（4）抗輻照和化學(xué)穩(wěn)定性好,；（5）與硅材料一樣,，可以直接采用熱氧化工藝在表面生長二氧化硅絕緣層,。純SiC是無色的,，工業(yè)用碳化硅由于含有鐵質(zhì)等，因而呈現(xiàn)棕色至黑色,，晶體上彩虹般光澤則是由于表面產(chǎn)生的二氧化硅鈍化層所導(dǎo)致,。

  功率半導(dǎo)體發(fā)展經(jīng)歷了以下的發(fā)展歷程，以鍺,、硅等單晶體材料為代表的XX代半導(dǎo)體材料,，以砷化鎵,、磷化銦等化合物為代表的第二代半導(dǎo)體材料，以碳化硅,、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料,。

圖1 半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程

  近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,，傳統(tǒng)Si基器件性能在低能耗、高能效以及小型化等方面已經(jīng)逼近理論極限,。相比于Si基半導(dǎo)體材料,，SiC能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗、高功效與小型化等目標(biāo)而備受關(guān)注,。Sic MOSFET因其具有導(dǎo)通電阻低,、熱穩(wěn)定性好、開關(guān)速度快,、阻斷電壓高等優(yōu)點，成為目前發(fā)展迅速的功率半導(dǎo)體器件之一,。

圖2 英飛凌生產(chǎn)用于Tesla逆變器里的SiC的器件（24個SiC MOSFET模塊）

碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

  自二十世紀(jì)九十年代以來,，美日歐等國相繼投入了大量的資金和人力對碳化硅材料和器件進(jìn)行了深入研究,，在器件的性能提升和體積縮小方面取得了重大突破，在這方面,，國內(nèi)也投入了大量的資金和技術(shù),，到如今也取得了不錯的成績。例如襯底環(huán)節(jié),，上已經(jīng)做到8寸的襯底,，國內(nèi)也能做到6寸，8英寸也在研發(fā)中,，我們和先進(jìn)水平的差距也逐漸縮小,。

碳化硅生產(chǎn)工藝

  碳化硅功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈主要包含單晶材料、外延材料,、器件,、模塊和應(yīng)用這幾個環(huán)節(jié)。其中,，單晶材料是碳化硅功率半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),，外延材料是實現(xiàn)器件制造的關(guān)鍵,，器件是整個產(chǎn)業(yè)鏈的核心，模塊是實現(xiàn)器件應(yīng)用的橋梁,，應(yīng)用是碳化硅功率半導(dǎo)體器件和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的源動力,。

SiC單晶體的生長方法

1、物理氣相傳輸法（PVT,，Physical vapor transport）

  高純sic粉料置于石墨坩堝的底部作為生長源,，籽晶固定在石墨坩堝的頂部，在超過2000℃的高溫下將碳化硅多晶粉體加熱分解成為Si原子,、Si₂C分子和SiC₂分子等氣相物質(zhì),，在溫度梯度的驅(qū)動下，這些氣相物質(zhì)將被輸運(yùn)到溫度較低的碳化硅籽晶上形成特定的碳化硅晶體,。通過控制PVT的溫度場,、氣流等工藝參數(shù)可以結(jié)晶形成SiC晶體。碳化硅單晶材料主要有導(dǎo)通型襯底和半絕緣襯底兩種,。高質(zhì)量,、大尺寸的碳化硅單晶材料是碳化硅技術(shù)發(fā)展首要解決的問題，持續(xù)增大晶圓尺寸,、降低缺陷密度（微管,、位錯、層錯等）是其重點發(fā)展方向,。

 圖3 PVT設(shè)備

2,、高溫化學(xué)氣相沉積法（HTCVD，High Temperature Chemical Vapor Deposition）

  在密閉反應(yīng)器中,，保持合適的反應(yīng)溫度（2000-2300℃）和壓力（40kPa）,，反應(yīng)爐內(nèi)通入由H₂或者He載帶的SiH₄和C₂H₄。反應(yīng)氣體在高溫下分解生成碳化硅并附著在襯底材料表面,，并沿著材料表面不斷生長,。通過控制反應(yīng)容積的大小、反應(yīng)溫度,、壓力和氣體組分等條件,，得到工藝條件。

爐內(nèi)主要發(fā)生的反應(yīng)：2SiH₄+C₂H₄=2SiC+6H₂

              圖4 HTCVD示意圖

SiC外延材料

  與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同的是,，碳化硅功率器件必須在導(dǎo)通型單晶襯底上額外生長高質(zhì)量的外延材料,，并在外延層上制造各類器件。主要的外延技術(shù)是化學(xué)氣相沉積（CVD）,，通過臺階流的生長來實現(xiàn)一定厚度和摻雜的碳化硅外延材料,。產(chǎn)業(yè)化方面，我國20μm及以下的碳化硅外延材料產(chǎn)品水平接近先進(jìn)水平,；在研發(fā)方面,，我國開發(fā)了100μm的厚外延材料，在厚外延材料缺陷控制等方面距離先進(jìn)水平有一定的差距,。

碳化硅功率器件

  碳化硅功率半導(dǎo)體器件主要有結(jié)勢壘肖特基功率二極管（JBS）,、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管（MPS）；金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）,、雙極型晶體管（BJT）,、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）等,。

碳化硅功率模塊

  為了進(jìn)一步提升碳化硅功率器件的電流容量,，通常采用模塊封裝的方法把多個芯片進(jìn)行并聯(lián)集成封裝。碳化硅功率模塊首先是從由硅IGBT芯片和SiC JBS二極管芯片組成的混合功率模塊產(chǎn)品發(fā)展起來的,?；谖覈墒斓墓杌β誓K的封裝技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，我國碳化硅功率模塊的產(chǎn)業(yè)化水平緊跟先進(jìn)水平,。

圖5碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈簡圖

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