大直径SiC单晶材料的应用及前景分析

传统的半导体材料如以硅、ＧａＡｓ等在微电子、光电子等领域应用广阔，然而随着技术的不断进步，受材料性能所限，这些传统半导体制成的电子器件，很难满足于现代电子技术对于高温、高频、高压等工作条件下的新要求，而以 ＳｉＣ 为代表的新型半导体材料，所具有的禁带宽度大、热导率高、临界击穿电场高等特点，在高频大功率器件、高功率密度、高集成度器件及小型化半导体器件等领域备受青睐［１］。
１ SiC晶体的结构及性能
碳化硅材料是由Ｓｉ和 Ｃ两种元素，按照相同的化学计量比结合而成，其基本结构单元为Ｓｉ－Ｃ四面体，并以堆垛的方式结合在一起，每层密排结构中每个原子都与四个异种原子以ｓｐ３杂化结合在一起，结构相对稳定，但层与层之间的键能较弱，堆叠位置各异，这也导致ＳｉＣ 晶体具有较多的同质多形体。

目前已被发现的有２５０多种异晶型，其晶型结构可分为立方（Ｃ）、六方（Ｈ）、菱方（Ｒ）三种基本结构，且均可转化为六方结构进行描述，如图１所示，将每层Ｓｉ－Ｃ单元以六方密排的形式堆积，可以看出密排面上的原子层存在着三种不同的堆叠位置，即 Ａ、Ｂ、Ｃ。按照全同粒子的密堆积原则，相邻密排原子层必须以原子间隙对准，即在参考原子层上下相邻的两个层面有且只有两种对准方式，假设 Ａ 原子层为第一层结构，则第二层结构则为 Ｂ、Ｃ中的一种，第三层则为异于第二层排列中的一种，如此往复，按照一定的周期进行排列，得到具有不同结构的碳化硅单晶。

表１为几种常见的碳化硅单晶结构及性能指标。从表中可以看出，原子排列方式的不同，不仅仅体现在晶体结构和类型上，其物理性质，如载流子迁移率、带隙、击穿电压等都存在着较大差异，这些差异性也使得不同晶体碳化硅材料制备得到的半导体器件，具有各自的固有特征，利用这一特性，可制作碳化硅不同多型，晶格完全匹配的异质复合结构，得到性能更为优异的半导体器件。

２ 碳化硅晶体生长的重点及难点介绍
碳化硅晶型的多样性也是获取单一晶型的难点之一。制作高压大容量碳化硅功率半导体器件，要求晶体材料所具有的大直径、应力应变小、位错缺陷少，晶型单一等品质，就必须着手解决异晶型夹杂以及晶型间相互转化的问题。异晶型夹杂是指生长出的晶体，具有多种晶型结构，其问题主要归咎于生长条件及热动力学条件等的限制，但迄今为止尚未找到一种合适的生长机制来阐述该种现象，仍需要科研工作者的进一步探索。多型体相互间的转化，则是指晶体类型可以在一定条件下相互转化，如图２所示，当 Ｔ＞１４００℃，２Ｈ－ ＳｉＣ可以完全转化为３Ｃ－ＳｉＣ，在１８００～２４００ ℃的温度范围内３Ｃ－ＳｉＣ将转化为６Ｈ－ＳｉＣ，Ｔ＞２０００℃，４Ｈ、１５Ｒ又可向６Ｈ－ＳｉＣ转化，Ｔ＞２５００℃高压条件下，６Ｈ－ＳｉＣ可向３Ｃ－ＳｉＣ逆转化。

传统的第一、二代半导体Ｓｉ、ＧａＡｓ的制备均是采用液相生长法，其特点是比较容易控制，生长过程简单，生长晶体的纯度和速度较高，是生长晶体时优先选用的方法。但碳化硅材料晶体生长的特殊性，使得液相生长得到单晶碳化硅的条件极为苛刻［２］。如图３为 Ｃ－Ｓｉ系统相图，可以看出当 Ｔ＞２８３０ ℃，才可以得到熔融态碳化硅，而在１４１２～２８３０ ℃，Ｃ在 Ｓｉ中的溶解度仅为０．０１％～１９％，Ｃ、Ｓｉ化学计量比严重失衡，碳硅比不能按照１：１的比例排序，难以得到单晶碳化硅材料。

目前主流制备碳化硅单晶的方法为物理气相传输法（ＰＶＴ法），其基本长晶原理如图４所示，将粉末状 ＳｉＣ 料源置于石墨坩埚底部，通过感应线圈利用集肤效应加热坩埚，达到一定温度后料源分解为Ｓｉ２Ｃ、Ｓｉ、ＳｉＣ２等气体，自由挥发到坩埚顶部的籽晶区域，经过一系列化学反应后再次生成 ＳｉＣ，并经由一定的轴向及径向温度梯度在籽晶表面结晶，得到具有一定结构的单晶碳化硅。

目前制约着碳化硅晶体品质的关键指标主要有：碳化硅粉料质量、仔晶的粘结、温场的设计和保温材料的选择，晶体生长工艺。其中每一项指标影响着最终碳化硅晶体的成品率和晶体品质。碳化硅粉料的制备多采用改进高温自蔓延法，在高温条件下高纯碳和高纯硅混合加热，并清洗除杂后得到高纯碳化硅粉，合成工艺的选择、碳硅粉的颗粒度降决定着最终得到碳化硅粉料的颗粒度、纯度。仔晶的粘结要确保和石墨锅盖之间没有贴合紧密，没有缝隙，微通道等，否者将会在晶体生长的过程中影响仔晶表面的温场分布，影响晶体品质。温场的设计要确保温场分布的均匀性，在加热的过程中使粉料受热均匀，挥发气氛能够在坩埚中平稳升华，保温材料的选择是确保温场稳定的关键因素之一，也是用来调节晶体生长时径向和纵向温度梯度的必要手段。晶体生长工艺的选择需和晶体生长炉匹配，由于目前碳化硅晶体生长还未成熟，国际国内也没有统一的标准，各研究机构通常都是自行设计晶体炉，同时，由于碳化硅晶体长晶的特殊性，晶体生长的过程中各参数难以实时掌控，所以晶体炉长晶需要根据经验推测，因此其 工 艺 也 难 有 统 一 标准。

３ 碳化硅材料的发展前景分析
碳化硅材料的蓬勃发展，其应用领域也越来越广阔，电源是功率器件市场最大的一个应用领域。电源功率的不断增大，对于其所用的 ＰＦＣ（功率因数校正）电路及功率变换器提出了更高要求，如要求其转换效率更高、体积更小、重量更轻等。这些新要求为ＳｉＣ电力电子器件的发展提供了契机。
在全球大力提倡利用绿色环保可再生能源，光伏发电、水力发电、风力发电获得了迅速发展。不过，当前 Ｓｉ基电力电子器件功率损耗大、效率较低，与之相比，ＳｉＣ 功率器件具有体积小、频率高、效率高、能耗低、可靠性高、稳定性好等优势，不但有益于清洁能源的利用，而且有益于电网的安全和稳定。电网中的高压直流输电、柔性输电技术、负荷侧的电机变频控制等方面对功率器件也形成了大量的需求，ＳｉＣ 电力电子器件可以用来升级供电电网，这些器件可以优化电力分配系统，使电网的效率更高、切换更快，特别是远距离输电线路。新能源汽车的广泛使用可极大地降低环境污染，但，重量、体积和成本是制约其发展的关键因素，通过使用ＳｉＣ电力电子器件，在减小尺寸、重量和成本的同时，还可改善系统的效率。ＳｉＣ 器件在轨道交通和智能家居等领域也表现突出［３］。可以看出，技术升级，产品更新换代，需求的不断升级，都为碳化硅产业的发展提供强劲动力。
目前，国际上碳化硅产业化的公司主要有：美国 Ｃｒｅｅ、德国ＳｉＣｃｒｙｓｔａｌ、日本三菱等，在碳化硅晶体的生长和应用领域都着产业布局。而国内主要包括：中电二所、天科合达、上海硅酸盐所、山东天岳。不过随着我国对半导体产业的持续推进，一大批企业也积极投身于碳化硅材料的产业化当中。如上市公司三安光电拟斥资１６０亿在长沙投建第三代半导体产业园，露笑科技斥资百亿在合肥打造第三代半导体产业园，还有一批诸如南砂晶圆半导体公司、深圳第三代半导体产业研究院、比亚迪等都纷纷加码，有力的促进可我国碳化硅产业的发展。老牌企业如中电二所、天科合达等也不断扩大产能，甚者翻倍。根据Ｙｏｌｏ公司统计，２０１７年４ｉｎ碳化硅晶圆市场接近１０万片；６ｉｎ碳化硅晶圆供货约１．５万片；到２０２０年，４ｉｎ碳化硅晶圆的市场需求保持在１０万片左右，单价将降低２５ ％；６ｉｎ碳化硅晶圆的市场需求将超过８万片。预计２０２０～２０２５年，４ｉｎ碳化硅晶圆的单价每年下降１０ ％左右，市场规模逐步从１０万片市场减少到８万片，６ｉｎ晶圆将从８万片增长到２０万片；２０２５～２０３０年，４ｉｎ晶圆逐渐退出市场，６ｉｎ晶圆将增长至４０万片，前景可期。
４ 结语
随着我国碳化硅产业的不断投入，制约着产业化发展的诸多瓶颈也逐步被一一攻克，并且有着良好的市场态势，使得碳化硅产业能够形成研发—市场双循环格局，将碳化硅晶体的发展推向新的高度。再加之，我 国 政 府 对 半 导 体 产 业 的 持 续 投入，相信未来我国ＳｉＣ产业的发展一定能打破国际上的技术壁垒，在全球化发展的格局中占有一席之地。

作者：马原原，刘军，张雅丽，刘纪岸，姚永红