大直徑SiC單晶材料的應用及前景分析

傳統的半導體材料如以硅、ＧａＡｓ等在微電子、光電子等領(lǐng)域應用廣闊，然而隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，受材料性能所限，這些傳統半導體制成的電子器件，很難滿(mǎn)足于現代電子技術(shù)對于高溫、高頻、高壓等工作條件下的新要求，而以 ＳｉＣ 為代表的新型半導體材料，所具有的禁帶寬度大、熱導率高、臨界擊穿電場(chǎng)高等特點(diǎn)，在高頻大功率器件、高功率密度、高集成度器件及小型化半導體器件等領(lǐng)域備受青睞［１］。

１ SiC晶體的結構及性能

碳化硅材料是由Ｓｉ和 Ｃ兩種元素，按照相同的化學(xué)計量比結合而成，其基本結構單元為Ｓｉ－Ｃ四面體，并以堆垛的方式結合在一起，每層密排結構中每個(gè)原子都與四個(gè)異種原子以ｓｐ３雜化結合在一起，結構相對穩定，但層與層之間的鍵能較弱，堆疊位置各異，這也導致ＳｉＣ 晶體具有較多的同質(zhì)多形體。

目前已被發(fā)現的有２５０多種異晶型，其晶型結構可分為立方（Ｃ）、六方（Ｈ）、菱方（Ｒ）三種基本結構，且均可轉化為六方結構進(jìn)行描述，如圖１所示，將每層Ｓｉ－Ｃ單元以六方密排的形式堆積，可以看出密排面上的原子層存在著(zhù)三種不同的堆疊位置，即 Ａ、Ｂ、Ｃ。按照全同粒子的密堆積原則，相鄰密排原子層必須以原子間隙對準，即在參考原子層上下相鄰的兩個(gè)層面有且只有兩種對準方式，假設 Ａ 原子層為第一層結構，則第二層結構則為 Ｂ、Ｃ中的一種，第三層則為異于第二層排列中的一種，如此往復，按照一定的周期進(jìn)行排列，得到具有不同結構的碳化硅單晶。


表１為幾種常見(jiàn)的碳化硅單晶結構及性能指標。從表中可以看出，原子排列方式的不同，不僅僅體現在晶體結構和類(lèi)型上，其物理性質(zhì)，如載流子遷移率、帶隙、擊穿電壓等都存在著(zhù)較大差異，這些差異性也使得不同晶體碳化硅材料制備得到的半導體器件，具有各自的固有特征，利用這一特性，可制作碳化硅不同多型，晶格完全匹配的異質(zhì)復合結構，得到性能更為優(yōu)異的半導體器件。
２ 碳化硅晶體生長(cháng)的重點(diǎn)及難點(diǎn)介紹
碳化硅晶型的多樣性也是獲取單一晶型的難點(diǎn)之一。制作高壓大容量碳化硅功率半導體器件，要求晶體材料所具有的大直徑、應力應變小、位錯缺陷少，晶型單一等品質(zhì)，就必須著(zhù)手解決異晶型夾雜以及晶型間相互轉化的問(wèn)題。異晶型夾雜是指生長(cháng)出的晶體，具有多種晶型結構，其問(wèn)題主要歸咎于生長(cháng)條件及熱動(dòng)力學(xué)條件等的限制，但迄今為止尚未找到一種合適的生長(cháng)機制來(lái)闡述該種現象，仍需要科研工作者的進(jìn)一步探索。多型體相互間的轉化，則是指晶體類(lèi)型可以在一定條件下相互轉化，如圖２所示，當 Ｔ＞１４００℃，２Ｈ－ ＳｉＣ可以完全轉化為３Ｃ－ＳｉＣ，在１８００～２４００ ℃的溫度范圍內３Ｃ－ＳｉＣ將轉化為６Ｈ－ＳｉＣ，Ｔ＞２０００℃，４Ｈ、１５Ｒ又可向６Ｈ－ＳｉＣ轉化，Ｔ＞２５００℃高壓條件下，６Ｈ－ＳｉＣ可向３Ｃ－ＳｉＣ逆轉化。
傳統的第一、二代半導體Ｓｉ、ＧａＡｓ的制備均是采用液相生長(cháng)法，其特點(diǎn)是比較容易控制，生長(cháng)過(guò)程簡(jiǎn)單，生長(cháng)晶體的純度和速度較高，是生長(cháng)晶體時(shí)優(yōu)先選用的方法。但碳化硅材料晶體生長(cháng)的特殊性，使得液相生長(cháng)得到單晶碳化硅的條件極為苛刻［２］。如圖３為 Ｃ－Ｓｉ系統相圖，可以看出當 Ｔ＞２８３０ ℃，才可以得到熔融態(tài)碳化硅，而在１４１２～２８３０ ℃，Ｃ在 Ｓｉ中的溶解度僅為０．０１％～１９％，Ｃ、Ｓｉ化學(xué)計量比嚴重失衡，碳硅比不能按照１：１的比例排序，難以得到單晶碳化硅材料。

目前主流制備碳化硅單晶的方法為物理氣相傳輸法（ＰＶＴ法），其基本長(cháng)晶原理如圖４所示，將粉末狀 ＳｉＣ 料源置于石墨坩堝底部，通過(guò)感應線(xiàn)圈利用集膚效應加熱坩堝，達到一定溫度后料源分解為Ｓｉ２Ｃ、Ｓｉ、ＳｉＣ２ 等氣體，自由揮發(fā)到坩堝頂部的籽晶區域，經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應后再次生成 ＳｉＣ，并經(jīng)由一定的軸向及徑向溫度梯度在籽晶表面結晶，得到具有一定結構的單晶碳化硅。
目前制約著(zhù)碳化硅晶體品質(zhì)的關(guān)鍵指標主要有：碳化硅粉料質(zhì)量、仔晶的粘結、溫場(chǎng)的設計和保溫材料的選擇，晶體生長(cháng)工藝。其中每一項指標影響著(zhù)最終碳化硅晶體的成品率和晶體品質(zhì)。碳化硅粉料的制備多采用改進(jìn)高溫自蔓延法，在高溫條件下高純碳和高純硅混合加熱，并清洗除雜后得到高純碳化硅粉，合成工藝的選擇、碳硅粉的顆粒度降決定著(zhù)最終得到碳化硅粉料的顆粒度、純度。仔晶的粘結要確保和石墨鍋蓋之間沒(méi)有貼合緊密，沒(méi)有縫隙，微通道等，否者將會(huì )在晶體生長(cháng)的過(guò)程中影響仔晶表面的溫場(chǎng)分布，影響晶體品質(zhì)。溫場(chǎng)的設計要確保溫場(chǎng)分布的均勻性，在加熱的過(guò)程中使粉料受熱均勻，揮發(fā)氣氛能夠在坩堝中平穩升華，保溫材料的選擇是確保溫場(chǎng)穩定的關(guān)鍵因素之一，也是用來(lái)調節晶體生長(cháng)時(shí)徑向和縱向溫度梯度的必要手段。晶體生長(cháng)工藝的選擇需和晶體生長(cháng)爐匹配，由于目前碳化硅晶體生長(cháng)還未成熟，國際國內也沒(méi)有統一的標準，各研究機構通常都是自行設計晶體爐，同時(shí)，由于碳化硅晶體長(cháng)晶的特殊性，晶體生長(cháng)的過(guò)程中各參數難以實(shí)時(shí)掌控，所以晶體爐長(cháng)晶需要根據經(jīng)驗推測，因此其 工 藝 也 難 有 統 一 標準。

３ 碳化硅材料的發(fā)展前景分析
碳化硅材料的蓬勃發(fā)展，其應用領(lǐng)域也越來(lái)越廣闊，電源是功率器件市場(chǎng)最大的一個(gè)應用領(lǐng)域。電源功率的不斷增大，對于其所用的 ＰＦＣ（功率因數校正）電路及功率變換器提出了更高要求，如要求其轉換效率更高、體積更小、重量更輕等。這些新要求為ＳｉＣ電力電子器件的發(fā)展提供了契機。
在全球大力提倡利用綠色環(huán)?？稍偕茉?，光伏發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電獲得了迅速發(fā)展。不過(guò)，當前 Ｓｉ基電力電子器件功率損耗大、效率較低，與之相比，ＳｉＣ 功率器件具有體積小、頻率高、效率高、能耗低、可靠性高、穩定性好等優(yōu)勢，不但有益于清潔能源的利用，而且有益于電網(wǎng)的安全和穩定。電網(wǎng)中的高壓直流輸電、柔性輸電技術(shù)、負荷側的電機變頻控制等方面對功率器件也形成了大量的需求，ＳｉＣ 電力電子器件可以用來(lái)升級供電電網(wǎng)，這些器件可以?xún)?yōu)化電力分配系統，使電網(wǎng)的效率更高、切換更快，特別是遠距離輸電線(xiàn)路。新能源汽車(chē)的廣泛使用可極大地降低環(huán)境污染，但，重量、體積和成本是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素，通過(guò)使用ＳｉＣ電力電子器件，在減小尺寸、重量和成本的同時(shí)，還可改善系統的效率。ＳｉＣ 器件在軌道交通和智能家居等領(lǐng)域也表現突出［３］?？梢钥闯?，技術(shù)升級，產(chǎn)品更新?lián)Q代，需求的不斷升級，都為碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強勁動(dòng)力。
目前，國際上碳化硅產(chǎn)業(yè)化的公司主要有：美國 Ｃｒｅｅ、德國ＳｉＣｃｒｙｓｔａｌ、日本三菱等，在碳化硅晶體的生長(cháng)和應用領(lǐng)域都著(zhù)產(chǎn)業(yè)布局。而國內主要包括：中電二所、天科合達、上海硅酸鹽所、山東天岳。不過(guò)隨著(zhù)我國對半導體產(chǎn)業(yè)的持續推進(jìn)，一大批企業(yè)也積極投身于碳化硅材料的產(chǎn)業(yè)化當中。如上市公司三安光電擬斥資１６０億在長(cháng)沙投建第三代半導體產(chǎn)業(yè)園，露笑科技斥資百億在合肥打造第三代半導體產(chǎn)業(yè)園，還有一批諸如南砂晶圓半導體公司、深圳第三代半導體產(chǎn)業(yè)研究院、比亞迪等都紛紛加碼，有力的促進(jìn)可我國碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。老牌企業(yè)如中電二所、天科合達等也不斷擴大產(chǎn)能，甚者翻倍。根據Ｙｏｌｏ公司統計，２０１７年４ｉｎ碳化硅晶圓市場(chǎng)接近１０萬(wàn)片；６ｉｎ碳化硅晶圓供貨約１．５萬(wàn)片；到２０２０年，４ｉｎ碳化硅晶圓的市場(chǎng)需求保持在１０萬(wàn)片左右，單價(jià)將降低２５ ％；６ｉｎ碳化硅晶圓的市場(chǎng)需求將超過(guò)８萬(wàn)片。預計２０２０～２０２５年，４ｉｎ碳化硅晶圓的單價(jià)每年下降１０ ％左右，市場(chǎng)規模逐步從１０萬(wàn)片市場(chǎng)減少到８萬(wàn)片，６ｉｎ晶圓將從８萬(wàn)片增長(cháng)到２０萬(wàn)片；２０２５～２０３０年，４ｉｎ晶圓逐漸退出市場(chǎng)，６ｉｎ晶圓將增長(cháng)至４０萬(wàn)片，前景可期。
４ 結語(yǔ)
隨著(zhù)我國碳化硅產(chǎn)業(yè)的不斷投入，制約著(zhù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的諸多瓶頸也逐步被一一攻克，并且有著(zhù)良好的市場(chǎng)態(tài)勢，使得碳化硅產(chǎn)業(yè)能夠形成研發(fā)—市場(chǎng)雙循環(huán)格局，將碳化硅晶體的發(fā)展推向新的高度。再加之，我 國 政 府 對 半 導 體 產(chǎn) 業(yè) 的 持 續 投入，相信未來(lái)我國ＳｉＣ產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一定能打破國際上的技術(shù)壁壘，在全球化發(fā)展的格局中占有一席之地。
來(lái)源：廣州半導體材料研究所