碳化硅材料研究现状与应用展望

王家鹏，贺东葛，赵婉云

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

半导体器件是现代工业整机设备的核心，广泛应用于计算机、消费类电子、网络通信、汽车电子等核心领域，半导体器件产业主要由四个基本部分组成：集成电路、光电器件、分立器件、传感器，其中集成电路占到了80%以上，因此通常又将半导体和集成电路等价。集成电路，按照产品种类又主要分为四大类：微处理器、存储器、逻辑器件、模拟器件。然而随着半导体器件应用领域的不断扩大，许多特殊场合要求半导体能够在高温、强辐射、大功率等环境下依然能够坚持使用、不损坏，第一、二代半导体材料便无能为力，于是第三代半导体材料便应运而生。目前，以碳化硅（SiC）、氮化镓（CaN）、氧化锌（Zn）、金刚石、氮化铝（Al）为代表的宽禁带半导体材料以更大的优势占领市场主导，统称第三代半导体材料[1]。

第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度，更高的击穿电场、热导率、电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2 eV），亦称为高温半导体材料。从目前第三代半导体材料和器件的研究来看，较为成熟的是碳化硅和氮化镓半导体材料，且碳化硅技术最为成熟，而氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。

1 碳化硅材料及其特性

碳化硅材料由于其较高的弹性模量、适中的密度、较小的热膨胀系数、较高的导热系数、耐热冲击性、高的比刚度、高度的尺寸稳定性及热性能与机械性能的各向同性等一系列优良的物理性质[2]，受到越来越多的重视，普遍用于陶瓷球轴承、阀门、半导体材料、陀螺、测量仪、航空航天等领域，已经成为一种在很多工业领域不可替代的材料。

SiC是一种天然超晶格，又是一种典型的同质多型体。由于Si与C双原子层堆积序列的差异会导致不同的晶体结构，因此SiC有着超过200种（目前已知）同质多型族，最被人熟知的便是立方密排的3C-SiC和六方密排的2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC。碳化硅具有优良的物理和化学性能[3]。

力学性能：高硬度（克氏硬度为3 000 kg/mm2），可以切割红宝石；高耐磨性，仅次于金刚石。

热学性能：热导率超过金属铜，是Si的3倍，是GaAs的8～10倍，散热性能好，对于大功率器件非常重要。SiC的热稳定性较高，在常压下不可能熔化SiC。

化学性能：耐腐蚀性非常强，室温下几乎可以抵抗任何已知的腐蚀剂。SiC表面易氧化生成SiO2薄层，能防止其进一步氧化，在高于1 700℃时，这层氧化膜熔化并迅速发生氧化反应。SiC能溶解于熔融的氧化剂物质。

电学性能：4H-SiC和6H-SiC带隙约是Si的3倍，是GaAs的2倍；其击穿电场强度高于Si一个数量级，饱和电子漂移速度是Si的2.5倍。4H-SiC的带隙比6H-SiC更宽。表1为几种半导体材料特性比较。

碳化硅半导体是新一代宽禁带半导体，它具有热导率高 (比硅高3倍)、与GaN晶格失配小(4%)等优势，非常适合用作新一代发光二极管（LED）衬底材料、大功率电力电子材料。

碳化硅早在1842年就被发现了，但直到1955年，飞利浦（荷兰）实验室的Lely才开发出生长高品质碳化硅晶体材料的方法。到了1987年，商业化生产的SiC衬底进入市场，进入21世纪后，SiC衬底的商业应用才算全面铺开。预计10年内碳化硅器件会有突破性发展，无论是SiC单晶材料还是SiC器件制造工艺都会有重大发展，碳化硅材料将会开始走向成熟，作为今后主要的半导体材料，在半导体器件领域起到不可替代的作用并占有巨大市场。

表1 几种半导体材料特性比较

2 碳化硅的加工工艺研究

SiC的硬度仅次于金刚石，可以作为砂轮等磨具的磨料，因此对其进行机械加工主要是利用金刚石砂轮磨削、研磨和抛光，其中金刚石砂轮磨削加工的效率最高，是加工SiC的重要手段。但是SiC材料不仅具有高硬度的特点，高脆性、低断裂韧性也使得其磨削加工过程中易引起材料的脆性断裂从而在材料表面留下表面破碎层，且产生较为严重的表面与亚表层损伤，影响加工精度。因此，深入研究SiC磨削机理与亚表面损伤对于提高SiC磨削加工效率和表面质量具有重要意义[4]。

2.1 硬脆材料的研磨机理

对硬脆材料进行研磨，磨料对其具有滚轧作用或微切削作用。磨粒作用于有凹凸和裂纹的表面上时，随着研磨加工的进行，在研磨载荷的作用下，部分磨粒被压入工件，并用露出的尖端划刻工件的表面进行微切削加工。另一部分磨粒在工件和研磨盘之间进行滚动而产生滚轧作用，使工件的表面形成微裂纹，裂纹延伸使工件表面形成脆性碎裂的切屑，从而达到表面去除的目的。

因为硬脆材料的抗拉强度比抗压强度要小，对磨粒施加载荷时，会在硬脆材料表面的拉伸应力的最大处产生微裂纹。当纵横交错的裂纹延伸且相互交叉时，受裂纹包围的部分就会破碎并崩离出小碎块。此为硬脆材料研磨时的切屑生成和表面形成的基本过程。

由于碳化硅材料属于高硬脆性材料，需要采用专用的研磨液，碳化硅研磨的主要技术难点在于高硬度材料减薄厚度的精确测量及控制，磨削后晶圆表面出现损伤、微裂纹和残余应力，碳化硅晶圆减薄后会产生比碳化硅晶圆更大的翘曲现象，薄晶圆传输中易碎片等问题[5]。

2.2 碳化硅的抛光加工研究

目前碳化硅的抛光方法主要有：机械抛光、磁流变抛光、化学机械抛光（CMP）、电化学抛光（ECMP）、催化剂辅助抛光或催化辅助刻蚀（CACP/CARE）、摩擦化学抛光（TCP，又称无磨料抛光）和等离子辅助抛光（PAP）等[6]。

化学机械抛光（CMP）技术是目前半导体加工的重要手段，也是目前能将单晶硅表面加工到原子级光滑最有效的工艺方法，是能在加工过程中同时实现局部和全局平坦化的唯一实用技术。

CMP的加工效率主要由工件表面的化学反应速率决定。通过研究工艺参数对SiC材料抛光速率的影响，结果表明：旋转速率和抛光压力的影响较大；温度和抛光液pH值的影响不大。为提高材料的抛光速率应尽量提高转速，虽然增加抛光压力也可提高去除速率，但容易损坏抛光垫。

目前的碳化硅抛光方法存在着材料去除率低、成本高的问题，且无磨粒研抛、催化辅助加工等加工方法，由于要求的条件苛刻、装置操作复杂，目前仍处在实验室范围内，批量生产的实现可能性不大。即便是实际生产中普遍采用化学机械抛光方法，但CMP抛光技术目前也停留在半经验控制的状态中，操作者并不能保证稳定的加工质量；而且抛光接触后工件表面往往残留有大量反应物，因此碳化硅的超精密加工方法在工业生产领域亟待改善提高。

3 碳化硅的应用展望

第三代半导体材料正在引起清洁能源和新一代电子信息技术的革命，无论是照明、家用电器、消费电子设备、新能源汽车、智能电网、还是军工用品，都对第三代半导体材料有着巨大需求。第三代半导体可以应用于半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器以及其他领域[7]。

碳化硅主要有四大应用领域，即：功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。高纯度的碳化硅单晶，可用于制造半导体、制造碳化硅纤维。

SiC（4H-SiC）特别适用于微电子领域，用于制备高频、高温、大功率器件；6H-SiC适用于光电子领域，实现全彩显示。随着SiC生产成本的降低，SiC半导体正逐步取代Si，为Si遇到的瓶颈所担忧的日子也将结束。

SiC材料在应用领域的优势：

（1）SiC材料应用在高铁领域，可节能20%以上，并减小电力系统体积；

（2）SiC材料应用在新能源汽车领域，可降低能耗20%；

（3）SiC材料应用在家电领域，可节能50%；

（4）SiC材料应用在风力发电领域，可提高效率20%；

（5）SiC材料应用在太阳能领域，可降低光电转换损失25%以上；

（6）SiC材料应用在工业电机领域，可节能30%～50%；

（7）SiC材料应用在超高压直流输送电和智能电网领域，可使电力损失降低60%，同时供电效率提高40%以上；

（8）SiC材料应用在大数据领域，可帮助数据中心能耗大幅降低；

（9）SiC材料应用在通信领域，可显著提高信号的传输效率和传输安全及稳定性；

（10）SiC材料应用在航空航天领域，可使设备的损耗减小30%～50%，工作频率提高3倍，电感电容体积缩小3倍，散热器重量大幅降低。

但是迫于SiC材料易碎，制备难度相对较大，大尺寸SiC的生产一直是个难题，因此，如何生产大尺寸的SiC衬底来降低成本一直是技术突破的难题。

SiC基本形成了美国、欧洲、日本三足鼎立的局面，可实现碳化硅单晶抛光片的公司主要为美国的 Cree、Bandgap、DowDcorning、II-VI、Instrinsic，日本的Nippon、Sixon，芬兰的Okmetic，德国的SiCrystal，Cree与 SiCrystal公司占据超过 85%的市场份额[8]。美国Cree公司被认为是此领域的老大，其碳化硅单晶材料的技术水平代表着国际先进水平，专家预测在未来的几年里Cree公司还将在碳化硅衬底市场上独占鳌头。

4 结束语

我国在第三代半导体材料上的研究起步比较晚，且相对于国外的技术水平较低，但是从2004年起，国家已经开始对第三代半导体领域的研究进行了部署，启动了一系列重大研究项目。2013年科技部在863计划新材料技术领域项目征集指南中明确将第三代半导体材料及应用列为重要内容。虽然前景看好，但我国在该领域发展的最大瓶颈就是原材料，我国SiC原材料的质量、制备问题亟待解决。目前我国对SiC晶元的制备尚为空缺，大多数设备都需要靠国外进口，国内开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，与国外相比水平较低，阻碍国内第三代半导体研究进展的还有原始创新等问题。

虽然困难重重，但是这也是一次弯道超车的机会，我相信在国家的支持以及国内人才的努力下，我国一定会在第三代半导体材料领域占得先机取得领先地位。