前言

半導體材料通過多年的發展，目前可以分為三代，即第一代半導體“元素半導體”，典型如硅基和鍺基半導體，適用于數據的運算和存儲；其中硅基半導體技術較為成熟，應用也較廣；第二代是砷化鎵、磷化銦為基礎的的iii-v族化合物半導體，在電和光的轉化方面性能突出，在微波信號傳輸方面的效率更高，可被廣泛應用到照明、顯示、通訊等各個領域[1]。

碳化硅(sic)是新世紀具有廣闊發展潛力的第三代新型半導體材料，sic晶片和外延襯底在通信、汽車、電網、航空、航天、石油開采以及國防等各個領域有著廣闊的應用前景[2]。

01碳化硅半導體的特點及其應用

1.1特點

碳化硅材料具有優良的熱力學和電化學性能。在熱力學方面，碳化硅硬度在20℃時高達莫氏9.2-9.3，是最硬的物質之一，可以用于切割紅寶石；導熱率超過金屬銅，是si的3倍、gaas的8-10倍，且其熱穩定性高，在常壓下不可能被熔化。在電化學方面，碳化硅具有寬禁帶、耐擊穿的特點，其禁帶寬度是si的3倍，擊穿電場為si的10倍，且其耐腐蝕性極強[3]。

典型半導體材料特性參數對比

1.2應用

led器件襯底：采用sic作襯底的led器件亮度更高、能耗更低、壽命更長、單位芯片面積更小，且在單功率led方面具有非常大的優勢，應用較為成熟。

電力電子器件：制作耐高壓、高溫、高頻、大功率和高密度電力電子器件，能夠適應更為苛刻的工作和生存環境。與傳統硅基器件相比，sic器件可大大降低能耗，提高電力使用效率，同時可降低電力系統尺寸，提高系統運行可靠性并降低系統整機造價。sic基器件已經在sbd二極管上應用并獲得了巨大的成功，國際大公司也不斷推出mosfet、jfet、bjt，甚至igbt等開關管器件，但都沒有真正被廣泛應用。

射頻微波器件襯底：以sic為襯底的微波器件輸出功率密度是gaas器件的10倍以上，工作頻率達到100ghzpa以上，可以顯著提高雷達、通信、電子對抗以及智能武器的整體性能和可靠性。

石墨烯外延襯底：能制造高性能的石墨烯集成電路[2]。

02碳化硅半導體產業鏈

碳化硅功率半導體產業鏈主要包含單晶材料、外延材料、功率器件、模塊封裝和應用這幾個環節。

2.1碳化硅單晶材料

目前碳化硅單晶的生長主要集中到以下兩種方法：液相生長法和物理氣相傳輸法(pvt)。液相生長法主要集中在日本的高校和科研院所，采用中頻加熱，高純石墨坩堝作為容器，同時提供碳源。溶液加熱到1~1900℃保溫數小時，黏在石墨棒上的籽晶跟隨著石墨棒一同浸入溶液中，由于石墨坩堝中的溫差，提供了晶體生長的過冷度，進而在籽晶上生長晶體。

物理氣相傳輸法生長碳化硅單晶是目前生長大直徑、高質量碳化硅單晶最常用的方法。該方法使用感應線圈進行加熱。由于法拉第電磁感應定律，坩堝外壁會產生感應電動勢，感應電動勢產生后由于石墨的導電性會在石墨坩堝中形成渦流，渦流產生焦耳熱使石墨坩堝溫度升高。通過熱輻射、熱傳導和對流等方式，將熱量傳遞給坩堝內的碳化硅粉料和籽晶，最終建立起單晶生長溫度場[4]。

2.2碳化硅外延材料

與傳統硅功率器件制作工藝不同的是，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。主要的外延技術是化學氣相沉積(cvd)，通過臺階流的生長來實現一定厚度和摻雜的碳化硅外延材料。

2.3功率器件

由于碳化硅半導體材料具有很多特點，如耐高溫、損耗率較低、高頻化、熱傳導性能好，因此以其為基礎材料生產制作的功率器件得到了大規模應用，如在辦公場合常見的電腦、空調、插座等；工業企業中常見的自動化生產鏈、調節設備等；在城市服務行業，則為電動化交通工具、電力系統、醫療器械等[5]。

按照器件工作形式，sic功率器件主要包括功率二極管和功率開關管。sic功率器件與硅基功率器件一樣，均采用微電子工藝加工而成。從碳化硅晶體材料來看，4h-sic和6h-sic在半導體領域的應用最廣，其中4h-sic主要用于制備高頻、高溫、大功率器件，而6h-sic主要用于生產光電子領域的功率器件[3]。

2.4模塊封裝

與硅igbt功率模塊相比，全碳化硅功率模塊可高速開關并可大幅降低開關損耗。為了優化碳化硅功率器件使用過程中的性能和可靠性，并有效地結合功率器件與不同的應用方案，模塊封裝的研究早已提上了議題。但是，功率器件的封裝技術成為擺在大家面前的一個瓶頸。主要問題包括高開關速度引起的高dv/dt和di/dt，高運行溫度和高電場強度。

目前常用全碳化硅功率模塊還是碳化硅mosfet和碳化硅二極管的組合，而驅動芯片通常是放置在功率模塊以外的驅動板上。驅動芯片與碳化硅mosfet距離較遠，而無法發揮碳化硅mosfet最優的性能。所以從業者也在研究把碳化硅mosfet驅動芯片集成到功率模塊內部，形成智能功率模塊即ipm[6]。

03碳化硅半導體材料的研究現狀

3.1國外碳化硅半導體材料研究現狀

20世紀80年代以來，美、日、歐等發達國家為保持航天、軍事和技術強國地位，始終將寬禁帶半導體技術放在極其重要的戰略地位，投入巨資實施了多項旨在提升裝備系統能力。這些國家和地區在碳化硅半導體領域，已走在世界前列。

美國：早在1997年制定的“國防與科學計劃”中，美國就明確了寬禁帶半導體的發展目標。2014年美國又主導成立了以碳化硅為代表的第三代半導體產業聯盟，全力支持寬禁帶半導體技術。

日本：從1998年開始，日本政府持續資助寬禁帶半導體技術研究。2013年，日本將sic材料體系納入“首相戰略”，認為未來50%的節能要通過sic器件來實現，以便創造清潔能源的新時代。

歐盟：2014年，歐盟啟動為期3年（2014-2017年）的，應用于高效電力系統的sic電力技術研究計劃(speed)，總投入達1858萬歐元，7個國家的12家研究機構和企業參與了該計劃。

sic半導體器件產業化主要以德國英飛凌、美國cree公司、ge和日本羅姆公司、豐田公司等為代表。sic電力電子器件首先由英飛凌于2000年前后在jbs二極管上取得突破，打開市場化的僵局，目前sic jbs二極管已廣泛應用于高端電源市場。cree、英飛凌、羅姆等公司逐步推出sic mosfet、jfet等產品，豐田公司則把sic mosfet器件應用到電動汽車中。

3.2國內碳化硅半導體材料研究現狀

國內碳化硅半導體材料與國外企業的技術水平相差較大，但與前兩代半導體技術不同，國內不少專家認為我國有望在以碳化硅為代表的第三代半導體領域實現彎道超車。《中國制造2025》和“十三五規劃”也明確將碳化硅行業定位為重點支持行業。國家電網、中國中車、比亞迪、華為等國內企業也在加大針對碳化硅在智能電網、軌道交通、電動汽車、手機通信芯片等領域應用的投資[3]。

3.2.1在sic單晶材料方面

我國sic單晶生長研究起步較晚，但在材料制備方面已取得較大突破。國內sic單晶的研究始發于2000年，主要研究單位有中科院物理研究所、山東大學、中科院上海硅酸鹽研究所、中電集團46所等。以相關的技術為基礎，能批量生產單晶襯底的公司包括北京天科合達、山東天岳、河北同光等[7]。目前，國內已經生產出6英寸sic單晶，微管密度和國際產品相當，一定程度上可滿足國內半導體器件制備的需求，但我國sic單晶襯底質量與國際先進水平相比還存在巨大差距。

3.2.2在碳化硅外延材料方面

我國sic外延材料研發工作開發于“九五計劃”，材料生長技術及器件研究均取得較大進展。主要研究單位有中科院半導體研究所、中電集團13所和55所、西安電子科技大學等，產業化公司主要是東莞天域和廈門瀚天天成[7]。目前我國已研制成功6英寸sic外延晶片，且基本實現商業化。可以滿足3.3kv及以下電壓等級sic電力電子器件的研制。不過，還不能滿足研制10kv及以上電壓等級器件和研制雙極型器件的需求。

3.2.3在碳化硅功率器件方面

國內sic器件研制起步較晚，2000年以來國內多家科研院所開展了相關研發工作。

我國科研院所先后研制出了3300v/10a、0v、10kv等jbs功率芯片，4v/50a jfet功率模塊，900v、1200v、1700v和3300vmosfet等樣品。目前，國內碳化硅功率器件已初步實現量產[3]。

04碳化硅半導體材料的發展前景

sic半導體潛在應用領域較為廣泛，對新能源汽車、軌道交通、智能電網和電壓轉換等領域都具有潛在的應用前景。隨著下游行業對半導體功率器件輕量化、高轉換效率、低發熱特性需求的持續增加，sic在功率器件中取代si成為行業發展的必然。

但是碳化硅功率器件領域仍然存在一些諸多共性問題亟待突破，比如碳化硅單晶和外延材料價格居高不下、材料缺陷問題仍未完全解決、碳化硅器件制造工藝難度較高、高壓碳化硅器件工藝不成熟、器件封裝不能滿足高頻高溫應用需求等，全球碳化硅技術和產業距離成熟尚有一定的差距，在一定程度上制約了碳化硅器件市場擴大的步伐。

總結

碳化硅材料具有耐高溫、耐腐蝕、導熱性好等獨特的特點，具有非常廣泛的應用前景，碳化硅作為第三代半導體材料越來越受到重視，成為國內外的研究熱點，sic半導體在未來具有非常廣闊的空間，因此必須加快對我國sic半導體的研發，打造獨立自主、具有國際競爭力的sic材料和器件產業。

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