碳化硅半導(dǎo)體材料應(yīng)用及發(fā)展前景

賀東葛，王家鵬，劉國敬

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

半導(dǎo)體材料通過多年的發(fā)展，目前可以分為三代，即第一代半導(dǎo)體“元素半導(dǎo)體”，典型如硅基和鍺基半導(dǎo)體，適用于數(shù)據(jù)的運(yùn)算和存儲(chǔ)；其中以硅基半導(dǎo)體技術(shù)成熟，應(yīng)用也較廣；第二代是砷化鎵、磷化銦為基礎(chǔ)的III-V族化合物半導(dǎo)體，主要解決信息通信，應(yīng)用領(lǐng)域包括半導(dǎo)體激光器、光纖通信、寬帶網(wǎng)等信息傳輸和存儲(chǔ)等領(lǐng)域的革命；第三代是以氮化鎵、氮化銦、氮化鋁、碳化硅為基礎(chǔ)的III-V族化合物半導(dǎo)體，在電和光的轉(zhuǎn)化方面性能突出，在微波信號(hào)傳輸方面的效率更高，可被廣泛應(yīng)用到照明、顯示、通訊等各個(gè)領(lǐng)域。目前市場(chǎng)應(yīng)用比較廣泛的藍(lán)綠光LED是基于SiC或GaN材料，也是特殊的第三代半導(dǎo)體。

1 碳化硅材料發(fā)展歷程

早在1824年，瑞典科學(xué)家Berzelius在人工合成金剛石的過程中就觀察到了SiC的存在，但是因?yàn)樘烊坏腟iC單晶極少，當(dāng)時(shí)人們對(duì)SiC的性質(zhì)幾乎沒有什么了解。直到1885年，Acheson將石英砂與碳混合放入管式爐中2 600℃反應(yīng)，首次生長出SiC晶體。

1959年，荷蘭Lely發(fā)明一種采用升華法生長高質(zhì)量單晶體的新方法。

1978年，俄羅斯科學(xué)家Tairov和Tsvetkov發(fā)明了改良的Lely法。

1979年，SiC藍(lán)色發(fā)光二極管問世。

1981年，Matsunami發(fā)明了Si襯底上生長單晶SiC的工藝技術(shù)。

1991年，美國Cree公司用改進(jìn)的Lely法生產(chǎn)出6H-SiC晶片，并與1994年制備出4H-SiC晶片。1997年實(shí)現(xiàn)50 mm(2英寸)6H-SiC單晶的市場(chǎng)化，2000年實(shí)現(xiàn)100 mm(4英寸)6H-SiC單晶的市場(chǎng)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展示高品質(zhì)的150 mm碳化硅基片。這一突破性進(jìn)展立即掀起了SiC晶體及相關(guān)技術(shù)研究的熱潮。

SiC作為第三代半導(dǎo)體材料的杰出代表，由于其特有的物理化學(xué)特性，成為制作高頻、大功率、高溫器件的理想材料。隨著SiC晶體材料的生長和外延技術(shù)的成熟，各種SiC器件將會(huì)相繼出現(xiàn)。目前，SiC器件的研究主要以分立器件為主，仍處于以開發(fā)為主，生產(chǎn)為輔的階段。

2 SiC的晶體結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)

SiC的結(jié)晶結(jié)構(gòu)是一種典型的共價(jià)鍵結(jié)合的化合物，自然界幾乎不存在。SiC具有α和β兩種晶型。β－SiC的晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系，Si和C分別組成面心立方晶格；α－SiC存在著4H、15R和6H等100余種多型體，其中，6H多型體為工業(yè)應(yīng)用上最為普遍的一種。α-SiC是高溫穩(wěn)定型，β-SiC是低溫穩(wěn)定型。β-SiC在2 100～2 400℃可轉(zhuǎn)變?yōu)棣?SiC，β-SiC可在1 450℃左右溫度下由簡(jiǎn)單的硅和碳混合物制得。在溫度低于1 600℃時(shí)，SiC以β－SiC形式存在。當(dāng)高于1 600℃時(shí)，β－SiC緩慢轉(zhuǎn)變成α－SiC的各種多型體。4H－SiC在2 000℃左右容易生成；15R和6H多型體均需在2 100℃以上的高溫才易生成；對(duì)于6H－SiC，即使溫度超過2 200℃，也是非常穩(wěn)定的。常見的SiC多形體列于表1。

表1 常見的SiC多型體

不同的SiC結(jié)晶形態(tài)決定了其禁帶寬度的不同，但均大于Si和GaAs的禁帶寬度，大大降低了SiC器件的泄漏電流，加上SiC的耐高溫特性，使得SiC器件在高溫電子工作方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

SiC是一種寬帶隙半導(dǎo)體，不同的結(jié)晶狀態(tài)有不同的帶隙，可以用做不同顏色的發(fā)光材料。如六角晶體SiC的帶隙約為3 eV，可以用做藍(lán)光LED的發(fā)光材料；立方晶體SiC的帶隙約為2.2 eV，可以用做綠色LED的發(fā)光材料。由于帶隙不同，它們呈現(xiàn)出不同的體色，立方晶系透射和反射出黃色，六角晶系呈無色。

利用SiC的不同多型體在半導(dǎo)體特性方面的不同，可以制作不同多型體間晶格完全匹配的異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)和超晶格，從而獲得性能極佳的器件。例如6H-SiC結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，適用于制造光電子器件；P-SiC比6H-SiC活潑，其電子遷移率最高，飽和電子漂移速度最快，擊穿電場(chǎng)最強(qiáng)，適宜制造高溫、大功率、高頻器件及其它薄膜材料的襯底。

簡(jiǎn)單來說，SiC主要在以下3個(gè)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì):擊穿電壓強(qiáng)度高，更寬的能帶隙，熱導(dǎo)率高，這些特性使得SiC器件更適合應(yīng)用在高功率密度、高開關(guān)頻率的場(chǎng)合。

3 碳化硅材料的發(fā)展前景分析

碳化硅因其在高溫、高壓、高頻等條件下的優(yōu)異性能表現(xiàn)，成為當(dāng)前最受關(guān)注的半導(dǎo)體材料之一，在交流-直流轉(zhuǎn)換器等電源轉(zhuǎn)換裝置中得到大量應(yīng)用。

碳化硅所具備的高功率轉(zhuǎn)換、低功耗等特性，所以它特別適合深井鉆探、太陽能逆變器（實(shí)現(xiàn)直流與交流的轉(zhuǎn)換）、風(fēng)能逆變器、電動(dòng)汽車與混合動(dòng)力汽車、工業(yè)驅(qū)動(dòng)以及輕軌牽引等需要大功率電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。

SiC半導(dǎo)體潛在應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，對(duì)新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)和電壓轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用前景。隨著下游行業(yè)對(duì)半導(dǎo)體功率器件輕量化、高轉(zhuǎn)換效率、低發(fā)熱特性需求的持續(xù)增加，SiC在功率器件中取代Si成為行業(yè)發(fā)展的必然。根據(jù)國家新能源汽車推廣規(guī)劃，2016-2020年，國家電網(wǎng)的充電站建設(shè)目標(biāo)高達(dá)10 000座，建成完整的“四縱四橫”電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)。隨著新能源及大功率電源轉(zhuǎn)換相關(guān)產(chǎn)業(yè)的成熟，SiC功率器件將迎來高速發(fā)展期。

美國的科銳公司是行業(yè)領(lǐng)先者，其在該市場(chǎng)之中具備大量專利，形成了技術(shù)上的壟斷，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了150 mm碳化硅單晶的量產(chǎn)，2012年就具備產(chǎn)量80～100萬片，占據(jù)全球市場(chǎng)碳化硅單晶80%以上份額。目前歐洲和日本部分企業(yè)也相繼推出了50～75 mm碳化硅單晶生產(chǎn)計(jì)劃，提前搶占碳化硅市場(chǎng)。

我國是碳化硅最大的應(yīng)用市場(chǎng)，占據(jù)全球近一半的使用量，但是我國的碳化硅產(chǎn)業(yè)還很不完善，國內(nèi)從事碳化硅材料及器件研發(fā)制造的多為高校和科研院所，缺乏產(chǎn)業(yè)化能力，不過近兩年來國內(nèi)已有少數(shù)企業(yè)開始進(jìn)入碳化硅領(lǐng)域，已具備100 mm碳化硅晶片產(chǎn)能，碳化硅器件已初步實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，如北京泰科天潤擁有一座完整的碳化硅半導(dǎo)體晶圓廠，可在100 mm SiC晶圓上實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體功率器件的制造，是目前國內(nèi)唯一擁有碳化硅器件生產(chǎn)線的企業(yè)；北京天科合達(dá)專業(yè)從事碳化硅晶片制造，已經(jīng)具備了生產(chǎn)50～100 mm碳化硅晶片的能力，形成了一條年產(chǎn)7萬片碳化硅晶片的生產(chǎn)線。

但由于碳化硅襯底是行業(yè)典型的技術(shù)密集型和資金密集型產(chǎn)業(yè)，高良品率、高穩(wěn)定性的長晶工藝技術(shù)是其核心。目前，國際上先進(jìn)的碳化硅長晶工藝及裝備掌握在美德日俄等少數(shù)西方發(fā)達(dá)國家手中，全球僅極少數(shù)企業(yè)能夠商業(yè)化量產(chǎn)。

為了扶持我國碳化硅行業(yè)的快速發(fā)展，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中明確將碳化硅列為“新一代信息功能材料及器件”優(yōu)先主題。在《中國制造2025》中明確大尺寸碳化硅單晶襯底為“關(guān)鍵戰(zhàn)略材料”“先進(jìn)半導(dǎo)體材料”。

4 結(jié)束語

當(dāng)前SiC這種物理化學(xué)性能優(yōu)異的新型材料越來越應(yīng)用廣泛，隨著SiC產(chǎn)量的快速提升，其生產(chǎn)成本將不斷下降，優(yōu)異的性能將使得SiC在功率器件領(lǐng)域逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)Si半導(dǎo)體的替代。面對(duì)晶體市場(chǎng)，電源管理元件市場(chǎng)，晶片市場(chǎng)，SiC半導(dǎo)體材料未來發(fā)展和替代空間巨大。結(jié)合我們國家目前對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)的重視，我國SiC半導(dǎo)體材料在未來一定會(huì)取得更大的發(fā)展。

[1] 劉興昉，陳宇.碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2015，(10)：12-19.

[2] 陳興章.國內(nèi)外硅半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].上海有色金屬，2013，34(3)：93-99.

[3] 袁明文.SiC材料與器件[J].微納電子技術(shù)，2001，38(2)：1-6.

[4] 王守國，張巖.SiC材料及器件的應(yīng)用發(fā)展前景[J].自然雜志，2011，33(1)：42-45.

[5] 呂道駿.鋁基碳化硅復(fù)合材料加工技術(shù)發(fā)展研究[J].電子機(jī)械工程，2011，27(5)：29-32.

[6] 陳之戰(zhàn)，肖兵，施爾畏，等.大尺寸6H-SiC半導(dǎo)體單晶材料的生長[J].無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2002，17(4)：685-690.

[7] 宋登元.碳化硅材料的特性，制備及其應(yīng)用[J].半導(dǎo)體光電，1992，(3)：202-207.