碳化硅半导体材料应用及发展前景

贺东葛，王家鹏，刘国敬

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

半导体材料通过多年的发展，目前可以分为三代，即第一代半导体“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体，适用于数据的运算和存储；其中以硅基半导体技术成熟，应用也较广；第二代是砷化镓、磷化铟为基础的III-V族化合物半导体，主要解决信息通信，应用领域包括半导体激光器、光纤通信、宽带网等信息传输和存储等领域的革命；第三代是以氮化镓、氮化铟、氮化铝、碳化硅为基础的III-V族化合物半导体，在电和光的转化方面性能突出，在微波信号传输方面的效率更高，可被广泛应用到照明、显示、通讯等各个领域。目前市场应用比较广泛的蓝绿光LED是基于SiC或GaN材料，也是特殊的第三代半导体。

1 碳化硅材料发展历程

早在1824年，瑞典科学家Berzelius在人工合成金刚石的过程中就观察到了SiC的存在，但是因为天然的SiC单晶极少，当时人们对SiC的性质几乎没有什么了解。直到1885年，Acheson将石英砂与碳混合放入管式炉中2 600℃反应，首次生长出SiC晶体。

1959年，荷兰Lely发明一种采用升华法生长高质量单晶体的新方法。

1978年，俄罗斯科学家Tairov和Tsvetkov发明了改良的Lely法。

1979年，SiC蓝色发光二极管问世。

1981年，Matsunami发明了Si衬底上生长单晶SiC的工艺技术。

1991年，美国Cree公司用改进的Lely法生产出6H-SiC晶片，并与1994年制备出4H-SiC晶片。1997年实现50 mm(2英寸)6H-SiC单晶的市场化，2000年实现100 mm(4英寸)6H-SiC单晶的市场化，2007年5月23日，Cree展示100 mm零微管碳化硅基底，2010年8月30日，Cree展示高品质的150 mm碳化硅基片。这一突破性进展立即掀起了SiC晶体及相关技术研究的热潮。

SiC作为第三代半导体材料的杰出代表，由于其特有的物理化学特性，成为制作高频、大功率、高温器件的理想材料。随着SiC晶体材料的生长和外延技术的成熟，各种SiC器件将会相继出现。目前，SiC器件的研究主要以分立器件为主，仍处于以开发为主，生产为辅的阶段。

2 SiC的晶体结构及优势

SiC的结晶结构是一种典型的共价键结合的化合物，自然界几乎不存在。SiC具有α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格；α－SiC存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中，6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。α-SiC是高温稳定型，β-SiC是低温稳定型。β-SiC在2 100～2 400℃可转变为α-SiC，β-SiC可在1 450℃左右温度下由简单的硅和碳混合物制得。在温度低于1 600℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于1 600℃时，β－SiC缓慢转变成α－SiC的各种多型体。4H－SiC在2 000℃左右容易生成；15R和6H多型体均需在2 100℃以上的高温才易生成；对于6H－SiC，即使温度超过2 200℃，也是非常稳定的。常见的SiC多形体列于表1。

表1 常见的SiC多型体

不同的SiC结晶形态决定了其禁带宽度的不同，但均大于Si和GaAs的禁带宽度，大大降低了SiC器件的泄漏电流，加上SiC的耐高温特性，使得SiC器件在高温电子工作方面具有独特的优势。

SiC是一种宽带隙半导体，不同的结晶状态有不同的带隙，可以用做不同颜色的发光材料。如六角晶体SiC的带隙约为3 eV，可以用做蓝光LED的发光材料；立方晶体SiC的带隙约为2.2 eV，可以用做绿色LED的发光材料。由于带隙不同，它们呈现出不同的体色，立方晶系透射和反射出黄色，六角晶系呈无色。

利用SiC的不同多型体在半导体特性方面的不同，可以制作不同多型体间晶格完全匹配的异质复合结构和超晶格，从而获得性能极佳的器件。例如6H-SiC结构最为稳定，适用于制造光电子器件；P-SiC比6H-SiC活泼，其电子迁移率最高，饱和电子漂移速度最快，击穿电场最强，适宜制造高温、大功率、高频器件及其它薄膜材料的衬底。

简单来说，SiC主要在以下3个方面具有明显的优势:击穿电压强度高，更宽的能带隙，热导率高，这些特性使得SiC器件更适合应用在高功率密度、高开关频率的场合。

3 碳化硅材料的发展前景分析

碳化硅因其在高温、高压、高频等条件下的优异性能表现，成为当前最受关注的半导体材料之一，在交流-直流转换器等电源转换装置中得到大量应用。

碳化硅所具备的高功率转换、低功耗等特性，所以它特别适合深井钻探、太阳能逆变器（实现直流与交流的转换）、风能逆变器、电动汽车与混合动力汽车、工业驱动以及轻轨牵引等需要大功率电源转换的应用。

SiC半导体潜在应用领域较为广泛，对新能源汽车、轨道交通、智能电网和电压转换等领域都具有潜在的应用前景。随着下游行业对半导体功率器件轻量化、高转换效率、低发热特性需求的持续增加，SiC在功率器件中取代Si成为行业发展的必然。根据国家新能源汽车推广规划，2016-2020年，国家电网的充电站建设目标高达10 000座，建成完整的“四纵四横”电动汽车充电网络。随着新能源及大功率电源转换相关产业的成熟，SiC功率器件将迎来高速发展期。

美国的科锐公司是行业领先者，其在该市场之中具备大量专利，形成了技术上的垄断，目前已经实现了150 mm碳化硅单晶的量产，2012年就具备产量80～100万片，占据全球市场碳化硅单晶80%以上份额。目前欧洲和日本部分企业也相继推出了50～75 mm碳化硅单晶生产计划，提前抢占碳化硅市场。

我国是碳化硅最大的应用市场，占据全球近一半的使用量，但是我国的碳化硅产业还很不完善，国内从事碳化硅材料及器件研发制造的多为高校和科研院所，缺乏产业化能力，不过近两年来国内已有少数企业开始进入碳化硅领域，已具备100 mm碳化硅晶片产能，碳化硅器件已初步实现量产，如北京泰科天润拥有一座完整的碳化硅半导体晶圆厂，可在100 mm SiC晶圆上实现半导体功率器件的制造，是目前国内唯一拥有碳化硅器件生产线的企业；北京天科合达专业从事碳化硅晶片制造，已经具备了生产50～100 mm碳化硅晶片的能力，形成了一条年产7万片碳化硅晶片的生产线。

但由于碳化硅衬底是行业典型的技术密集型和资金密集型产业，高良品率、高稳定性的长晶工艺技术是其核心。目前，国际上先进的碳化硅长晶工艺及装备掌握在美德日俄等少数西方发达国家手中，全球仅极少数企业能够商业化量产。

为了扶持我国碳化硅行业的快速发展，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中明确将碳化硅列为“新一代信息功能材料及器件”优先主题。在《中国制造2025》中明确大尺寸碳化硅单晶衬底为“关键战略材料”“先进半导体材料”。

4 结束语

当前SiC这种物理化学性能优异的新型材料越来越应用广泛，随着SiC产量的快速提升，其生产成本将不断下降，优异的性能将使得SiC在功率器件领域逐步实现对Si半导体的替代。面对晶体市场，电源管理元件市场，晶片市场，SiC半导体材料未来发展和替代空间巨大。结合我们国家目前对于半导体行业的重视，我国SiC半导体材料在未来一定会取得更大的发展。

[1] 刘兴昉，陈宇.碳化硅半导体技术及产业发展现状[J].新材料产业，2015，(10)：12-19.

[2] 陈兴章.国内外硅半导体材料产业现状及发展[J].上海有色金属，2013，34(3)：93-99.

[3] 袁明文.SiC材料与器件[J].微纳电子技术，2001，38(2)：1-6.

[4] 王守国，张岩.SiC材料及器件的应用发展前景[J].自然杂志，2011，33(1)：42-45.

[5] 吕道骏.铝基碳化硅复合材料加工技术发展研究[J].电子机械工程，2011，27(5)：29-32.

[6] 陈之战，肖兵，施尔畏，等.大尺寸6H-SiC半导体单晶材料的生长[J].无机材料学报，2002，17(4)：685-690.

[7] 宋登元.碳化硅材料的特性，制备及其应用[J].半导体光电，1992，(3)：202-207.