碳化硅半导体技术及产业发展现状

碳化硅半导体（这里指4H-SiC）是新一代宽禁带半导体，它具有热导率高（比硅高3倍）、与GaN晶格失配小（4%）等优势，非常适合用作新一代发光二极管（LED）衬底材料[1]、大功率电力电子材料[2]。

采用碳化硅作衬底的LED器件亮度更高、能耗更低、寿命更长、单位芯片面积更小，且在大功率LED方面具有非常大的优势。此外，碳化硅除了用作LED衬底，它还可以制造高耐压、大功率电力电子器件如肖特基二极管（SBD/JBS）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、晶闸管（GTO）、金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等，用于智能电网、太阳能并网、电动汽车等行业。与传统硅基功率电力电子器件相比，碳化硅基功率器件可以大大降低能耗，节约电力。比如一台35kW的太阳能光伏并网逆变器，全部使用硅器件，能耗可达2.8kW，转换效率为92%，全部换成碳化硅的器件后，能耗可低至1.4kW，约为硅逆变器的50%，转换效率上升4%，为96%，一座30MW的太阳能发电站，全部使用碳化硅功率器件后可节约大量电能，节能效果十分显著。碳化硅可在超过200℃的高温下长期稳定地工作，因此，相比于硅，碳化硅方案可以大量缩减冷却负担，实现系统的小型化和一体化。碳化硅基电力电子器件已经应用于新一代航空母舰的电磁弹射系统，大幅度提高了舰载机起降效率，增强了航母作战性能。

此外，碳化硅材料的重要用途还包括：微波器件衬底[3]、石墨烯外延衬底[4]、人工钻石。碳化硅（指半绝缘型）是射频微波器件的理想衬底材料，以之为衬底的微波器件其输出功率密度是砷化镓（GaAs）器件的10倍以上，工作频率达到100GHz以上，可以显著提高雷达、通信、电子对抗以及智能武器的整体性能和可靠性，使用碳化硅基微波器件的雷达其测距由原来的80～100km提升到现在的超过300km。在碳化硅衬底上外延生长石墨烯，可望制造高性能的石墨烯集成电路，是当前国际研发的热点，IBM（美国）已经投入了巨资进行研发[5]，并取得了重要进展，在半绝缘型碳化硅上创建了全球首个全功能石墨烯集成电路[6]。碳化硅晶体的硬度仅次于钻石，其明亮度、光泽度和火彩甚至超过了钻石，基于碳化硅的人工钻石（莫桑钻）也已经面市。

碳化硅已成为全球半导体产业的前沿和制高点。作为新兴的战略先导产业，它是发展第3代半导体产业的关键基础材料。2014年，美国新兴制造产业的第1个产业制造创新中心——以碳化硅半导体为代表的第3代宽禁带半导体创新中心，获得了联邦和地方政府的合力支持，1.4亿美元的总支持额将用于提升美国在该新兴产业方面的国际竞争力[7]。研究重点是：在未来的5年里，通过使宽禁带半导体技术拥有当前基于硅的电力电子技术的成本竞争力，实现下一代节能高效大功率电力电子芯片和器件。这些改进措施将使电力电子装置，如电机、消费类电子产品，以及电网设备得以更快、更高效地运转，且大幅度缩小其体积。日本也对碳化硅进行了大量投入，将发展碳化硅半导体技术列入“首相计划”，认为未来日本50%以上的节能将由碳化硅实现。我国政府几乎在相同时期发布了新材料领域发展纲要，明确提出重点发展以碳化硅等为代表的第3代半导体材料[8]。

从整体上来看，碳化硅半导体完整产业链条包括：碳化硅原料-晶锭-衬底-外延-芯片-器件-模块，如图1所示。本文介绍了国内外碳化硅半导体技术及产业发展现状，重点关注碳化硅单晶生长、外延生长、碳化硅器件等方面的构成、热点及发展趋势。

一、碳化硅单晶

碳化硅早在1842年就被发现了，但直到1955年，飞利浦（荷兰）实验室的Lely才开发出生长高品质碳化硅晶体材料的方法。到了1987年，商业化生产的SiC衬底进入市场，进入21世纪后，SiC衬底的商业应用才算全面铺开。碳化硅分为立方相（闪锌矿结构）、六方相（纤锌矿结构）和菱方相3大类共260多种结构，目前只有六方相中的4H-SiC、6H-SiC才有商业价值，美国科锐（Cree）等公司已经批量生产这类衬底。立方相（3C-SiC）还不能获得有商业价值的成品。

SiC单晶生长经历了3个阶段，即Acheson法、Lely法[9]、改良Lely法。利用SiC高温升华分解这一特性，可采用升华法即Lely法来生长SiC晶体。升华法是目前商业生产SiC单晶最常用的方法，它是把SiC粉料放在石墨坩埚和多孔石墨管之间，在惰性气体（氩气）环境温度为2 500℃的条件下进行升华生长，可以生成片状SiC晶体。由于Lely法为自发成核生长方法，不容易控制所生长SiC晶体的晶型，且得到的晶体尺寸很小，后来又出现了改良的Lely法。改良的Lely法也被称为采用籽晶的升华法或物理气相输运法[10]（简称PVT法）。PVT法的优点在于：采用SiC籽晶控制所生长晶体的晶型，克服了Lely法自发成核生长的缺点，可得到单一晶型的SiC单晶，且可生长较大尺寸的SiC单晶。

国际上基本上采用PVT法制备碳化硅单晶。目前能提供4H-SiC晶片的企业主要集中在欧美和日本。其中Cree产量占全球市场的85%以上，占领着SiC晶体生长及相关器件制作研究的前沿。目前，Cree的6英寸SiC晶片已经商品化，可以小批量供货[11]。此外，国内外还有一些初具规模的SiC晶片供应商，年销售量在1万片上下。Cree生产的SiC晶片有80%以上是自已消化的，用于LED衬底材料，所以Cree是全球唯一一家大量生产SiC基LED器件的公司，这个业务使得它的市场表现突出，公司市盈率长期居于高位。

PVT方法中SiC粉料纯度对晶片质量影响很大。粉料中一般含有极微量的氮（N），硼（B）、铝（Al）、铁（Fe）等杂质，其中氮是n型掺杂剂，在碳化硅中产生游离的电子，硼、铝是p型掺杂剂，产生游离的空穴。为了制备n型导电碳化硅晶片，在生长时需要通入氮气，让它产生的一部分电子中和掉硼、铝产生的空穴（即补偿），另外的游离电子使碳化硅表现为n型导电。为了制备高阻不导电的碳化硅（半绝缘型），在生长时需要加入钒（V）杂质，钒既可以产生电子，也可以产生空穴，让它产生的电子中和掉硼、铝产生的空穴（即补偿），它产生的空穴中和掉氮产生的电子，所以所生长的碳化硅几乎没有游离的电子、空穴，形成高阻不导电的晶片（半绝缘型，SI）。掺钒工艺复杂，所以半绝缘碳化硅很难制备，成本很高。近年来也出现了通过点缺陷来实现高阻半绝缘碳化硅的方法。p型导电碳化硅也不容易制备，特别是低阻的p型碳化硅更不容易制备。虽然对于半绝缘型和p型导电碳化硅晶片的需求量日益增长，但是由于掺杂量和杂质原子分布不易控制等技术难度以及成本原因，即使是Cree也采用限量供应的方式出货，其他厂商基本不提供这类碳化硅的批量供应。

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