國內(nèi)外碳化硅襯底材料發(fā)展的技術(shù)現(xiàn)狀

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)工程學(xué)院，甘肅蘭州，730060)

國內(nèi)外碳化硅襯底材料發(fā)展的技術(shù)現(xiàn)狀

李倩
(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)工程學(xué)院，甘肅蘭州，730060)

碳化硅襯底材料在民用和軍用領(lǐng)域都具有極其重要的地位和巨大的市場需求，是電子信息時(shí)代不可替代的新型材料。2016年碳化硅電力電子市場規(guī)模高達(dá)2.1億-2.4億美元，隨著科技的進(jìn)步，碳化硅單晶襯底材料的技術(shù)將會(huì)越來越純熟，其成本將逐漸降低，市場前景十分廣闊。

碳化硅 襯底材料 技術(shù)進(jìn)展

第三代半導(dǎo)體材料是提升新一代信息技術(shù)核心競爭力的重要支撐。作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的典型代表，碳化硅單晶因具備禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能，是固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”[1,2]，在未來的寬禁帶半導(dǎo)體器件市場中，碳化硅將扮演越來越重要的角色，占領(lǐng)更多功率和微電子器件市場。并且有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的瓶頸，對節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、催生新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)將發(fā)揮重要作用。近年來，全球主要大國對SiC的研究均非常重視，僅在2016年，碳化硅電力電子市場規(guī)模就已達(dá)2.1億-2.4億美元之間。美國、歐洲、日本等不僅從國家層面上制定了相應(yīng)的研究規(guī)劃，而且一些國際電子業(yè)巨頭也都投入巨資發(fā)展碳化硅半導(dǎo)體器件，紛紛投入大量的人力物力積極發(fā)展。

1 碳化硅

作為C和Si唯一穩(wěn)定的化合物，SiC晶格結(jié)構(gòu)由兩個(gè)亞晶格致密排列組成，每個(gè)Si(或C)原子與周邊包圍的C(Si)原子通過定向的強(qiáng)四面體SP3鍵結(jié)合，雖然這種四面體鍵很強(qiáng)，但層錯(cuò)形成能量卻很低，這一特點(diǎn)決定了SiC的多型體現(xiàn)象，目前，已經(jīng)明晰結(jié)構(gòu)的多型體有250余種，每種多型體的C/Si雙原子層的堆垛次序稍有差異。其中，六角密排的4H、6H-SiC和立方密排的3C-SiC最為常見。不同的多型體具有不同的電學(xué)性能與光學(xué)性能。SiC的禁帶寬度為Si的2-3倍，熱導(dǎo)率約為Si的4.4倍，臨界擊穿電場約為Si的8倍，電子的飽和漂移速度為Si的2倍。碳化硅的這些優(yōu)異性能使其成為耐高溫、高頻、抗輻射、大功率的半導(dǎo)體器件材料的不二選擇，在原油勘探、航天、雷達(dá)、環(huán)境監(jiān)測及航空、汽車馬達(dá)、通訊系統(tǒng)和大功率的電子轉(zhuǎn)換器及地面核反應(yīng)堆系統(tǒng)的監(jiān)控等領(lǐng)域的極端環(huán)境中，均有較高的應(yīng)用價(jià)值[3]。另外，采用SiC所制備的發(fā)光二極管的輻射波長可以覆蓋從藍(lán)光到紫光的波段，在光集成電路與光信息顯示系統(tǒng)等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。表1是三代半導(dǎo)體材料主要性能對比。

表1 半導(dǎo)體材料關(guān)鍵性能對比

2 碳化硅襯底材料技術(shù)進(jìn)展

2.1 國外碳化硅襯底材料發(fā)展現(xiàn)狀

二十世紀(jì)五六十年代，通過科學(xué)研究，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)碳化硅半導(dǎo)體在物理、電子等方面的性能遠(yuǎn)優(yōu)于硅半導(dǎo)體的特征。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，目前，硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)每年能夠創(chuàng)造近萬億美元的市場交易，而以碳化硅(SiC)為代表的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)才剛處于起步階段。

其中，美國Cree公司是最早研究和生產(chǎn)碳化硅晶體和晶片的公司，該公司在1997年到1998年之間就可以生產(chǎn)2-3英寸的碳化硅晶片。后來同日本著名的日亞化學(xué)公司合作生產(chǎn)藍(lán)光和紫光LED器件。近幾年，歐盟啟動(dòng)了關(guān)于碳化硅的半導(dǎo)體器件重大研發(fā)項(xiàng)目，投入巨大的人力及財(cái)力支持此類項(xiàng)目的發(fā)展，這一舉措將極大地推動(dòng)碳化硅研究在歐洲的發(fā)展。

全球碳化硅晶片生產(chǎn)實(shí)力較強(qiáng)的公司有Cree、Dow Corning、Rohm等少數(shù)幾家國外企業(yè)，上述幾家公司掌握了幾乎大部分的專利技術(shù)，占據(jù)了全球90%以上的碳化硅晶片市場份額。由于技術(shù)壁壘的限制，僅美國Cree公司一家就占據(jù)了全球碳化硅產(chǎn)量的85%，幾乎壟斷了整個(gè)碳化硅的市場。作為新興產(chǎn)業(yè)，碳化硅是未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模預(yù)期將會(huì)接近甚至超越硅產(chǎn)業(yè)。

此外，隨著第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵的突破和藍(lán)、綠、白光發(fā)光二極管的問世，“照明革命”已然到來，半導(dǎo)體燈將逐步替代傳統(tǒng)的熒光燈和白熾燈。采用發(fā)光二極管(LED)作為新光源，同樣亮度下，半導(dǎo)體燈的耗電僅為普通白熾燈的十分之一，而壽命卻是其一百倍。如同晶體管替代電子管一樣，由于半導(dǎo)體照明節(jié)能、環(huán)保、長壽命、免維護(hù)等顯著優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體燈替代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈，已是大勢所趨。在半導(dǎo)體照明市場的巨大利益驅(qū)動(dòng)下，世界三大照明工業(yè)巨頭紛紛與半導(dǎo)體公司合作，通用電氣、飛利浦、奧斯拉姆集團(tuán)均成立半導(dǎo)體照明企業(yè)，并提出要使半導(dǎo)體燈發(fā)光效率再提高8倍的同時(shí)，價(jià)格降低100倍。相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，受益于“半導(dǎo)體照明國家研究項(xiàng)目”，2010年前后，美國已有55%的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)體燈替代，每年可節(jié)電350億美元。7年后的今天，僅在美國，半導(dǎo)體照明就可能形成一個(gè)500億美元的大產(chǎn)業(yè)。此外，日本的“21世紀(jì)照明”研究發(fā)展計(jì)劃、歐盟的彩虹計(jì)劃、韓國的固態(tài)照明計(jì)劃，均由政府投資，產(chǎn)業(yè)界公司和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)共同執(zhí)行。

2.2 國內(nèi)碳化硅襯底材料技術(shù)發(fā)展情況

上世紀(jì)七十年代，中國就開展了碳化硅晶體的研究，其中代表機(jī)構(gòu)有中科院物理研究所、中科院上海硅酸鹽研究所、山東大學(xué)、力學(xué)研究所、46 所、西安電子科技大學(xué)等，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，仍與國際先進(jìn)水平存在較大差距。為此，科技部將SiC單晶生長列為“十五”863計(jì)劃研究項(xiàng)目，總體上，山東大學(xué)在SiC單晶生長、加工和單晶爐研制的等關(guān)鍵技術(shù)上取得較大突破，處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。目前，2英寸、3英寸的SiC襯底已經(jīng)商品化，并且成功掌握4英寸SiC單晶生長技術(shù)，正在研究的重點(diǎn)是6英寸SiC襯底的制備技術(shù)以及低位元錯(cuò)密度、大面積的SiC外延技術(shù)。西安電子科技大學(xué)微電子研究所已經(jīng)通過外延生長法成功制得6H-SiC，目前正在展開進(jìn)一步測試工作，以證明材料的晶格結(jié)構(gòu)情況。同時(shí)，對材料的性質(zhì)和載流子輸運(yùn)展開理論和實(shí)驗(yàn)研究，研究工作均取得了可喜的進(jìn)展。

國內(nèi)涉足SiC晶體生產(chǎn)的研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)也越來越多，通過自行研制、或引進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備，紛紛投入相關(guān)的研發(fā)及生產(chǎn)工作。在SiC晶片的使用上，許多企業(yè)開始引進(jìn)外延設(shè)備進(jìn)行商品化生產(chǎn)，SiC產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初具規(guī)模。

目前，我國大功率電子器件、微波器件全部依賴進(jìn)口，高端電子產(chǎn)品嚴(yán)重受制于國外；在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，LED芯片的國產(chǎn)化率雖然達(dá)到了50%以上，但基本上還是集中在中低端市場，國產(chǎn)LED芯片很少能夠打入液晶電視背光、車用照明等高端產(chǎn)品的供應(yīng)鏈之中。在目前的情況下，最重要的是要突破技術(shù)，近年來，我國政府也在投入巨額資金，大力發(fā)展半導(dǎo)體照明技術(shù)，以期推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。表2是我國近年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的主要的技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。

表2 我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目

3 碳化硅襯底材料市場需求狀況

3.1 民用市場對碳化硅襯底材料的需求

隨著技術(shù)進(jìn)步，SiC器件的市場需求越來越大。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2005年至2009年SiC器件市場的年增長率為27%。與此同時(shí)，SiC二極管的容量不斷增大和SiC晶體管的實(shí)際應(yīng)用，帶動(dòng)了SiC器件性能的不斷改善。

作為一種新型的半導(dǎo)體材料，專家統(tǒng)計(jì)，從2012-2015年開始，SiC器件將逐步在以下領(lǐng)域普及應(yīng)用：開關(guān)元件、家電、電動(dòng)車(EV)、分布式電源、配電低壓電器、工業(yè)設(shè)備、電氣機(jī)車、信息設(shè)備(整流元件)、汽車與混合動(dòng)力車(HEV)。尤其在未來的信息產(chǎn)業(yè)中，碳化硅將有望產(chǎn)生不可估量的產(chǎn)業(yè)價(jià)值，就目前來看，市場對SiC材料的需求正呈急劇上升的趨勢。表2顯示半導(dǎo)體主要應(yīng)用領(lǐng)域，除了SiC材料在高溫器件、集成電路方面的大規(guī)模應(yīng)用之外，傳感器在石油鉆探，紫外光敏二極管在汽車、大功率器件、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測、抗輻射加固器件、微波器件方面都有廣闊的應(yīng)用前景。

表3 寬禁帶半導(dǎo)體主要應(yīng)用領(lǐng)域

3.2 軍事領(lǐng)域?qū)μ蓟枰r底材料的需求分析

碳化硅耐高溫、與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿均不起反應(yīng)，具有優(yōu)良的常溫力學(xué)性能，非常高的抗磨損以及低的摩擦系數(shù)，導(dǎo)熱導(dǎo)電性好，具有很強(qiáng)的抗輻射能力。碳化硅粉直接升華法可制得大體積、大面積碳化硅單晶，生成的單晶可生產(chǎn)藍(lán)色或綠色場效應(yīng)晶體管、發(fā)光二極管，其在軍事工業(yè)中應(yīng)用前景廣闊。

國防建設(shè)是國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展的基石，其所需材料的性能不但具有一定的科學(xué)深度，而且有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，能帶動(dòng)企業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)科技與經(jīng)濟(jì)的結(jié)合。使用碳化硅襯底制成的有源相控陣?yán)走_(dá)可以探測到幾千公里外棒球大小的物體，載有該雷達(dá)的預(yù)警機(jī)可以及早發(fā)現(xiàn)威脅，控制更廣闊的區(qū)域。

4 結(jié)束語

寬禁帶半導(dǎo)體材料作為一類新型材料，具有獨(dú)特的電、光、聲等特性，其制備的器件具有優(yōu)異的性能，在眾多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著寬禁帶技術(shù)的不斷發(fā)展，材料工藝與器件工藝的逐漸成熟，SiC電力電子器件在不久的將來將會(huì)取代Si器件，無論是日常生活，還是軍事應(yīng)用，其重要性將逐漸顯現(xiàn)，終將成為電子信息產(chǎn)業(yè)的主宰。

[1] 金平.半導(dǎo)體,引爆照明革命[J].今日科技，2005(02):26-28.

[2] MTSoo.Advances of SiC-based MOS capacitor hydrogen sensors for harsh environment applications[J].Sensors & Actuators B Chemical，2010(151):39-55.

[3] 鄭志遠(yuǎn).β-SiC薄膜制備及特性研究[D]. 保定: 河北大學(xué),2002.

SiliconCarbideSubstrateMaterialProgressovertheAbroad

LiQian
(SchoolofAppliedChemicalEngineering,LanzhouPetrochemicalCollegeofVocationalTechnology,Lanzhou730060,Gansu,China)

Both in the field of civil and military, Silicon carbide substrate materials has extremely important position and the huge market demand，It is the non-substitutable new materials in the electronic information age，In 2016, the total market share has been reached 2.1-2.4 billon US dollars, With the advent of technology，Heavily sb-doped silicon carbide substrate materials technology will be more and more mature. The cost will be reduced gradually, the market prospect is very broad.

silicon carbide; substrate material; technology progress