摘要：随着半导体器件的飞速发展，第一、二代半导体材料在高温、辐射和高频率下工作特性都不能满足需求，而新型半导体材料——SiC的出现改变了这一局面。本文主要阐述了碳化硅宽禁带半导体材料的结构性质及重要应用，并分析了制备碳化硅材料的主流方法，最后讨论了我国碳化硅材料和器件的发展现状及其存在的机遇与挑战。
关键词:SiC；第三代；半导体
引言
SiC作为第三代半导体材料，它的禁带宽度高达3.25eV,不仅击穿电场强度高，而且电子饱和速率和热导率都很高，这些优越性质使SiC器件能在高温、高电压、高频率状态下可靠运行，同时在保证高运行能力的情况下消耗最少的电能。2016年碳化硅的电子市场规模就已经达到近3亿美元，毫无疑问，碳化硅将在5G通信、新能源汽车、产业转型等方面发挥重要作用，占据更广阔的宽禁带半导体市场。
一、碳化硅的结构与性质
碳化硅是C和Si组合中唯一稳定的化合物，从晶体化学的角度来看，每个Si（C）原子与周边包围的C（Si）原子通过定向强四面体sp3键结合，并有一定程度的极化，很低的层错形成能量决定了SiC的多型体现象，六角密排4H-SiC、6H-SiC和立方密排的3C-SiC比较常见并且不同的多型体具有不同的电学性能与光学性能。通过对比硅和碳的电负性确定SiC晶体具有很强的离子共价键,原子化能值达到125okJ/mol，表明SiC的结构、能量稳定。此外，sic还有高达1200—1430K的德拜温度。因此，SiC材料对各种外界作用有很高的稳定性，在力学、热学、化学等方面有优越性。
与Si相比，SiC的禁带宽度为其2-3倍，同时具有其4.4倍的热导率，8倍的临界击穿电场，2倍的电子饱和漂移速度，这些优异性能使其成为在航天航空、雷达、环境监测、汽车马达、通讯系统等应用中生产耐高温、高频、抗辐射、大功率半导体器件材料的不二选择，特别是SiC发光二极管的辐射波长广，在光电集成电路中具有广阔的应用前景。
二、SiC的制备及原理
SiC很早已被发现，由于它化学和物理稳定性高，过去很长的时问内仅在工业中作为研磨和切割材料。SiC在超过1800℃时才升华分解，高温生长单晶和化学机械处理都十分困难，SiC晶体的主要制备方法有：Acheson法(1891年)，Lely法(1955年)，改良Lely法(1978年)。最早使用Lely法——升华再结晶工艺生长SiC单晶，用感应加热法将装有多晶SiC粉末的多孔石墨管加热到2500℃，在惰性气体（氩气）环境中升华出SiC，生成六角形状的、大小和结晶类型不定但直径很小、杂质含量较高的单晶板块。
商业生产常用改良LeLy法（PVT法。前苏联的Tairov等人使用SiC籽晶来控制所生长晶体的构型，生长出直径为8mm、长8mm的6H-SiC单晶。PVT法主要用来生长尺寸较大的单晶。该过程生长速度与汽相饱和度成正比，通过汽相输运使SiC原子在籽晶上生成单晶。其优点在于克服了Lely法自发成核生长的缺点，而且生长温度和压力有所降低。
此外，在高温下生长SiC晶体时难以控制掺杂，晶体中的微管道缺陷无法消除，现在已经研究出几种外延SiC的方法如溅射法，激光烧结法，液相外延法，化学气相淀积和分子束外延法等。目前都是使用外延簿膜SiC材料制造器件。高温化学气相淀积（HTCVD）使用气态的高纯碳源和硅源，生长速率高于PVT法，成本更低，电阻率很高，通过控制通入的氮或硼的流量就可控制晶体导电强弱。
三、国内SiC材料技术发展情况
由于SiC单晶材料和外延设备的限制，上世纪七十年代中国才开始对碳化硅晶体进行深入研究。在国家973计划和863计划的支持下，中科院物理研究所、西安电子科技大学、山东大学、中电46所等重要机构启动了“宽禁带半导体SiC基础研究”、“SiC高频高温功率器件”和“SiC单晶衬底制备”等项目。虽然目前与国际先进水平相比，我国仍有很大差距，但是山东大学研制出的SiC单晶生长加工和单晶炉技术在国内遥遥领先。目前我国已成功掌握4英寸SiC单晶生长技术，2、3英寸SiC衬底已进行量产，各大研究机构正在重点研究6英寸SiC衬底的制备技术以及低位元错密度、大面积的SiC外延技术。西安电子科技大学已经通过外延生长法成功制得并测试证明6环SiC的品格结构情况，同时在材料性质、载流子输运展开理论和实验研究上取得重大进展。
国内通过自行研制、或引进生产设备涉足SiC晶体生产的研究机构与企业越来越多，许多企业引进外延设备进行商业化生产，形成初始规模的SiC产业链。
虽然目前SiC器件的研究已经取得了瞩目的成果，但是SiC材料还没有发挥其最大性能。近几年，利用PVT法和CVD法，采用缓冲层、台阶控制外延及位置竞争等技术生长SiC薄膜质量已经取得了惊人的进步，且实现了可控掺杂。但晶体中仍含有大量的微管、位错和层错等缺陷，严重限制了SiC芯片成品率及大电流需求。SiC电力电子器件要想应用于牵引领域，单个芯片面积必须要在1.2cm2以上，以保证100A以上的通流能力，降低多芯片并联产生的寄生参数。因此，SiC材料必须解决上述缺陷问题，SiC器件才有可能在牵引领域批量应用。
四、SiC的应用
SiC因其优良的物理化学特性和电特性，成为制造短波长电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率、高频电子器件重要的半导体材料之一。在元器件应用方面，有蓝光发光二极管，高电压SiC肖特基二极管，SiC射频功率晶体管和SiCMOSFET等产品。
1、sic二极管—肖特基势垒二极管
由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单，所以对SiC肖特基二极管的研究颇为成熟。肖特基二极管能提供近乎理想的动态性能,在高速集成电路、微波技术等领域有重要应用。该管工作过程中没有电荷储存，因此反向恢复电流仅由耗尽层结电容造成。更重要的是，开关管的开通损耗大幅度减少，开关频率提高。此外，它几乎没有正向恢复电压，能够立即导通，无开关延时。该管的导通电阻具有正温度系数，有利于多个二极管并联，从而在二极管单芯片面积和电流受限时，大幅提高SiC肖特基二极管的容量。目前实验室研制成功的最大容量达到了6500V/1000A的水平。
SiC肖特基二极管的发展方向是衬底减薄技术和TrenchJBS结构。衬底减薄技术能够有效地减小低压时二极管的导通电阻，从而使正反向特性均得到改善，不仅增加了电流密度，也提高了阻断电压和雪崩能力。
2、SiC开关管—SiCMOSFET
SiCMOSFETN+源区和P阱掺杂均采用离子注入，在1700℃温度中进行退火激活，其中采用沟槽结构可最大限度地发挥SiC的特性。相比于硅IGBT，SiCMOSFET在开关电路中不存在电流拖尾，寄生体二极管有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr从而使其具有更低的开关损耗和更高的工作频率。
碳化硅MOSFET模块的高压高频和高效率优势使其更多的应用于光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统。它可以突破现有电动汽车电机设计上因器件性能而受到的限制，这是目前国内外电动汽车电机领域研发的重点。预计在2018年-2020年碳化硅MOSFET模块将广泛应用在国内外的电动汽车上。
五、机遇与挑战——SiC材料的未来
1、机遇
面对全球节能减排的需求，以及80%以上的电能消耗在电子信息设备、轨道交通等众多节能潜力巨大的领域中的现状，具有高效电能转换技术的第三代半导体材料的地位就显得举足轻重了。另外，基于互联网的移动通讯产业、大数据产业迅猛发展，支持大量移动终端、海量数据传输、数据中心运行的材料需求十分迫切。而第三代半导体材料SiC的击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强，能在高温高电压、高频率状态下可靠运行，并能以较少的电能消耗和较低的成本，获得更高的运行能力。此外SiC材料还是航空航天和国防科技方面制造微波器件的理想材料，将更广泛的应用于电子对抗和智能化系统中。
2、挑战
我国开展SiC材料及器件研究工作较晚，在科技部及军事预研项目的支持下，取得了一定的成果，逐步缩小了与国外先进技术的差距，在军工领域取得了一些应用。但是研究的主要成果还停留在实验室阶段，器件性能不足以满足需求。目前，只有少数企业成功研发SiC材料及器件，实现SiC功率器件的量产，原因在于应用端与核心材料器件分离，没有形成一定的产业链，以及进行相关研发的企业单位规模小，资金投入不足，因此，我们急需在国家的大力支持下打破体制障碍，建立产业体系，引进创新人才和团队，加强国际与区域交流合作，以SiC产业谋求更快更好的发展。
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