本文說說碳化矽的那些事。

碳化矽材料的發展曆史比較久遠，1824年瑞典化學家Berzelius在人工生長金剛石的過程中發現了碳化矽SiC。1885年Acheson用焦炭和矽石的混合物以及一定量氯化鈉在熔爐中高溫加熱，制備出了小尺寸碳化矽晶體，但存在大量缺陷。

碳化矽材料的應用始于20世紀初。1907年美國Round制造出第一個碳化矽發光二極管；1920年碳化矽單晶作為探測器用于早期的無線電接收機上。不過因為單晶生長難度較大，碳化矽在很長一段時間内沒有很好的應用，到了1955年飛利浦發明了一種采用升華法制備高質量碳化矽的新方法即Lely法，碳化矽材料再次煥發生機。

七八十年代碳化矽的制備及應用實現重大突破。1978年前蘇聯科學家Tairov等人改良了Lely法，可以獲得較大尺寸的碳化矽晶體。1979年第一個碳化矽發光二極管問世；1981年Matsunami發明了在矽襯底上生長碳化矽單晶的方法；1991年美國公司Cree采用升華法生長出碳化矽晶片并實現産業化。

目前碳化矽及其應用呈現出以下幾個特點：第一是晶圓尺寸實現大尺寸化，Cree的6英寸碳化矽晶片實現産業化，并積極推進8英寸晶片的産業化。第二晶體缺陷密度不斷下降，比如4英寸碳化矽單晶微管密度下降至0.1cm^-2以下，穿透性螺位錯和基平面位錯密度控制在10^2cm^-2。第三碳化矽基功率器件不斷湧現，除了特斯拉和蔚來汽車在電動車上使用了SiC-MOSFET，還發展出了SBD、HMET等器件。當然第四點相比矽基半導體的奮起直追，中國在碳化矽第三代半導體上與國外發展水平基本持平，襯底方面天科合達等實現了4英寸的産業化和6英寸的技術突破，并積極向8英寸推進；山東天嶽等公司擁有相應的外延生長技術。在器件制造上揚傑科技、士蘭微等也積極推進碳化矽基功率半導體的産業化。

碳化矽材料的特性之一就是擁有超過200多種晶體結構，每一種結構對應的電學性能等存在一定差異。目前主要是六角4H、六角6H和菱方15R等，其中4H和6H實現産業化：

總體上相比氮化镓和矽等，碳化矽材料擁有最高的熱導率、較高的帶隙、電子遷移率和飽和電子速率等，可以制造能在高溫、高壓、更高功率和更高工作頻率等情形下的器件。

在具體應用方面，碳化矽主要實現了以下應用：第一是碳化矽為襯底制備高亮度和超高亮度藍綠InGaN铟镓氮LED；第二是實現了KV級高壓MOSFET器件制造，比如羅姆半導體生産的1200V、35A的SiC-MOSFET；第三是用于300V到1200V甚至3300V等更高壓的碳化矽基肖特基勢壘管SBD的制造；第四是在半絕緣碳化矽襯底上制備氮化镓、鋁镓氮AlGaN高電子遷移率晶體管HEMT；第五是在SiC-IGBT上有所突破，實現了P溝道IGBT的制造。

在碳化矽材料制備上，1955年飛利浦提出了Lely法，也稱升華法。Lely法的基本原理是：在空心圓筒狀石墨坩埚中（最外層石墨坩埚，内置多孔石墨環），将具有工業級純度的碳化矽粉料投入坩埚與多孔石墨環之間加熱到2500度，碳化矽在此溫度下分解與升華，産生一系列氣相物質比如矽單晶、Si2C和SiC2等。由于坩埚内壁與多孔石墨環之間存在溫度梯度，這些氣相物質在多孔石墨環内壁随機生成晶核。總的來說Lely法産率低，晶核難以控制，而且會形成不同結構，尺寸也有限制。

目前碳化矽材料制備多采用改進Lely法、高溫CVD法和溶液法，其中以改進Lely法為主流。

改進Lely法也稱物理氣相傳輸法PVT，是前蘇聯科學家Tairov和Tsvetkov于1978年提出的。改進Lely法使用了工作頻率10-100KHz的中頻感應加熱單晶爐，在生長過程中加入籽晶用于控制晶核和晶向：

在改進Lely法中碳化矽單晶生長主要經曆低溫高真空階段、高壓升溫階段、高壓保溫成核階段、降壓生長階段、恒壓恒溫生長階段和升壓冷卻階段等六個階段。當然在具體生長過程中，為了制備符合要求的碳化矽單晶，降低微管、位錯密度等缺陷，會對籽晶的籽晶面等适當微調，在此不再展開。

碳化矽單晶有絕緣型、半絕緣型之分，按照摻雜類型還有P型摻雜和N型摻雜之分，無形中提升了碳化矽的制備難度。比如制備功率器件的是N型4H-SiC襯底，器件要求襯底電阻率小于20毫歐姆*厘米，制備低電阻率的Ｎ型4H-SiC常用高濃度Ｎ摻雜，但随着摻雜濃度提高，單晶中位錯密度會升高。Kato等人提出的氮、鋁共摻雜技術制備出了低電阻率的Ｎ型4H-SiC單晶，所用的單晶爐有兩套加熱系統，其中上部加熱系統與普通Lely法相同，主要對SiC原料加熱并為單晶生長提供合适的溫度；下部加熱系統為鋁原料加熱。這樣通過對生長壓力、溫度等參數調整，可以實現有效的氮、鋁共摻雜。

碳化矽的外延主要采用化學氣相沉積CVD，以後再說。

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