大尺寸 + 低成本，碳化硅开启突围之战！

引言

随着科学技术的飞速发展，半导体材料的革新速度也进一步加快。继以Si为代表的第一代半导体和以GaAs为代表的第二代半导体之后，以碳化硅（SiC）为代表的第三代宽禁带半导体越来越受到人们的关注。

1 碳化硅简介

当前，半导体材料已成为全球高技术竞争和大国博弈的焦点之一，其中，以碳化硅材料为代表的宽禁带半导体材料，已在新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等重点领域批量应用。碳化硅具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及高抗辐射性能的优点，可以突破硅作为基片的半导体器件性能和能力极限，是电力电子及微波射频器件的“CPU”、绿色经济的“核芯”[1]。

• 碳化硅晶体结构

碳化硅是一种具有独特物理和化学性质的Ⅳ-Ⅳ族化合物，Si原子和C原子通过在sp3杂化轨道上共用电子对形成共价键，以四面体键合的方式形成SiC晶体。碳化硅晶体拥有超过200种多型结构，这些多型结构以Si-C双原子为结构的基本单元，采用不同的堆垛方式排列而成，目前已知的碳化硅晶型有2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC等，多晶型的名称是由单位晶胞中Si-C双原子的层数和晶系组合（C代表立方晶系；H代表六方晶系；R表示斜方六面体晶系；字母前数字代表双原子层数）表示。不同的SiC多晶有着不同的电子、光学和机械性能，因此在各种应用中具有不同的优势[2-4]。

3C-SiC:3C-SiC是最简单的SiC多晶型，具有立方密排结构。在这种结构中，硅原子和碳原子在三维空间中以特定的方式排列。形成一个高度对称的晶体结构。由于其对称性，3C-SiC在电子和光学性能方面相对较差，目前实际应用比较少。

4H-SiC和6H-SiC：与3C-SiC不同，4H-SiC和6H-SiC具有六方密排结构。这两种多晶型在电子迁移率、热导率和带隙方面都优于3C-SiC，4H-SiC具有更高的电子迁移率，因此在高频和高功率电子器件中更为理想、在新能源汽车、5G通信等领域应用最为广泛，6H-SiC则具有更大的带隙，因此在高温和高辐射环境中表现更好[4]。

• 国内外碳化硅发展概况

上世纪90年代，Cree、西屋电气等海外企业已率先研发并制备出2–4英寸SiC衬底。进入21世纪，随着技术持续迭代，6英寸SiC晶圆逐步成为市场主流。在电动汽车与新能源产业爆发式增长的驱动下，全球对SiC材料的需求持续攀升，国内外企业及科研机构纷纷加大对大尺寸、高品质SiC晶圆的研发投入。目前，Wolfspeed、II‑IV、Rohm等国际厂商已实现8英寸SiC衬底规模化量产；在我国“十四五”规划推动下，国内8英寸SiC衬底也迈入产业化落地阶段，天科合达、天岳先进、晶盛机电等企业相继宣布完成8英寸SiC衬底批量供应[5]。

当前，6英寸碳化硅仍为全球商用主流，8英寸产品正加速产业化推进，而12英寸碳化硅领域的集中突破，标志着第三代半导体产业正式进入关键转折期。国内天岳先进、晶盛机电、晶越半导体、天成半导体、科友半导体、合盛硅业、南砂晶圆、环球晶圆、烁科晶体，以及美国Wolfspeed等企业，均已在12英寸碳化硅单晶及衬底研制上取得重大进展。

2 碳化硅单晶的制备方法

目前，能够生产出高品质碳化硅单晶的方法主要有三种，分别是物理气相传输（PVT）法、高温化学气相沉积（HTCVD）法和顶部籽晶溶液生长（TSSG）法。

• 物理气相传输（PVT）法

1955年，Lely首次采用升华法实现了碳化硅单晶的生长。但该方法存在诸多先天缺陷：生长温度极高、晶体形核过程难以精准控制、生长效率偏低、所得晶体的电学参数分散性较大，且尺寸普遍较小。受此影响，采用Lely法制备的SiC晶体质量不佳，成本却居高不下。这一技术难题直至1978年才由Tairov等人攻克：他们在传统Lely法基础上，于生长过程中引入籽晶，既实现了对晶体形核的有效调控，又降低了生长温度。该方法后被称为改进型Lely法，即物理气相传输法[6-9]。

物理气相传输法工艺成熟、可控性强，是目前生产高质量大尺寸碳化硅的主要方法。该方法是将碳化硅粉料置于石墨坩埚底部，并将碳化硅籽晶放置于坩埚顶部，加热石墨坩埚至碳化硅升华温度后，碳化硅粉料分解为Si蒸汽、Si2C和SiC2等气相物质，在轴向温度梯度的作用下，升华至坩埚顶部，并在顶部的SiC籽晶表面进行凝结，结晶为SiC单晶[6]。该方法能大量生产大尺寸、高纯度的碳化硅，较为适合开展大规模工业化生产，但其缺点在于生产速度较为缓慢，需要使用大量设备，这导致其生产成本较高。

对于PVT生长方式而言，影响SiC晶体生长的因素有很多，比如温度、温度梯度、坩埚压力等因素，此外籽晶与多晶粉末之间的距离、粉末的纯度等都影响生长的过程。

1.1 SiC粉体合成

SiC粉体作为合成和生长单晶的原料会直接影响单晶生长的质量及电化学性能，如何降低在生长过程中的组分偏析、降低粉料的杂质含量和提高输运性能是粉源制备和前处理重要目标[8]。

生长SiC单晶用的SiC粉体纯度要求很高，其中杂质含量应至少低于0.001%。SiC粉末的制备方法有很多种，但是根据合成原料的初始状态可以分为三种，分别是固相法、液相法以及气相法。固相法主要有碳热还原法、机械粉碎法和自蔓延高温合成法；液相法主要分为溶胶-凝胶法与聚合物分解法两类；气相法主要分为化学气相沉积法与等离子体法两类。在众多SiC粉合成方法中，气相法通过控制气源中的杂质含量可以获得纯度较高的SiC粉体；液相法中只有溶胶-凝胶法可以合成纯度满足单晶生长需要的SiC粉体；固相法中的改进自蔓延高温合成法是目前使用范围最广，合成工艺最成熟的SiC粉体的制备方法[2,8]。

1.2 坩埚

坩埚内部结构的设置将直接影响生长的SiC单晶的尺寸和质量，坩埚内晶体的生长区域有限是限制单晶尺寸增大的一个重要影响因素[7]。此外，坩埚由于材料纯度、机械加工等方面因素，容易出现金属杂质，当由金属杂质掺杂在坩埚中时，就会造成坩埚受热不均的情况，进而影响炉内的温场分布，进而影响长晶质量，为避免这种情况，必须对坩埚进行净化处理[2]。

1.3 籽晶

对于碳化硅晶体，不同的生长方向生长速度不同。生长面的选择和设置不仅关系到晶体的质量还关系到晶体的尺寸。籽晶表面的形貌和结构对晶体的微管和缺陷数量有着直接的影响。为了得到大尺寸的单晶，采用大尺寸的籽晶是必要的前提条件。籽晶固定一般采用粘结剂的方式，首先将改性酚醛树脂放入乙酸乙酰乙酯溶剂中制成粘结剂，并将其均匀涂抹在碳化硅籽晶的背面和坩埚盖下表面，向籽晶表面施加压力，将粘结层的气泡和多余的粘结剂挤出，然后将坩埚盖放入烘箱中加热并保温2个小时，最后在氩气的环境中碳化粘结剂，粘结的过程中要注意保证施加压力均匀，以免籽晶受力不均而开裂[2]。

1.4生长参数

碳化硅单晶生长时的温度、压力、温度梯度、气体供应等参数的设置对于沉积晶体的均匀性、结晶性及缺陷性质有着直接的影响。对于晶体生长参数的研究和设计一直是人们研究的重点之一。晶体生长工艺主要是对环境温度和压强进行控制调节，碳化硅晶体的生长包含传热、传质与化学反应等过程，炉内的温场分布很大程度上决定了碳化硅单晶的生长质量与生长速度，准确掌握炉内的温场分布和气相输运过程对获得高品质、大尺寸的晶体十分重要[7]。

• 顶部籽晶溶液生长（TSSG）法

TSSG法又称液相法，其生长碳化硅单晶的速度较慢，但是生长出的晶体具有较高的结构完整性。TSSG法生长SiC晶体装置由电磁感应线圈、石墨保温层、石墨坩埚、Si熔体、SiC籽晶和提拉杆构成，采用石墨坩埚，一方面是因为其耐高温、抗腐蚀，可作为盛放Si熔体容器，另一方面是其可以为晶体生长提供C源。在石墨坩埚中放置硅原料以及一些掺杂物，由于坩埚壁处的温度高，籽晶杆处的温度低，石墨坩埚中的C溶解后就会在籽晶处和融化后的Si结合，形成碳化硅晶体。相对于PVT法生长碳化硅，液相法具有位错密度低、易于实现扩径、可以获得p型晶体等优点，但是在杂质含量控制、过渡元素选择等方面仍然存在一定问题。

由于TSSG法生长SiC单晶的本质是C在Si熔体中的溶解和再结晶，因此，提升C在Si溶液中的溶解度是实现TSSG法生长SiC单晶的关键。然而，C在Si溶液中的溶解度极低，即便在3037K的包晶状态下也仅为13%。此外，Si在2273K以上会直接气化，需要在Si溶液中添加其他过渡元素或稀土元素来增强C的溶解能力。因此，选择合适的助溶剂是实现TSSG法成功生长SiC单晶中最为关键的一步。TSSG法生长SiC单晶过程中另一个研究重点是对晶体生长过程中动力学过程进行调控。此外，溶剂夹杂和多型体控制也是溶液生长中的重要问题[5,10]。

• 高温化学气相沉积（HTCVD）法

HTCVD法反应器为石墨坩埚，在石墨坩埚顶部放置籽晶，石墨坩埚外部为保温材料，通过感应线圈进行加热，此方法的原料为SiH4、SiCl4、C3H8、C2H2等气态含Si和C的化合物。通过控制反应器内部温度和压力，使碳化硅在籽晶处生长，生长温度为2200℃-2500℃。相对于PVT法，HTCVD法有纯度高、C/Si比控制方便以及粉源材料可以持续控制等优点，其缺点是硅源和碳源均来自气体且生长温度较高，耗电量大，生产成本较高[2-3]。

3 碳化硅单晶发展趋势

展望未来，高品质SiC单晶制备技术将朝着大尺寸化、高质量化、低成本化、智能化四大方向持续升级[11]：

大尺寸化：碳化硅单晶直径已从早期毫米级逐步拓展至当前6英寸、8英寸，乃至12英寸及以上规格。大尺寸单晶制备不仅能显著提升生产效率、降低单位制造成本，还能更好地满足大功率电力电子器件的应用需求。

高质量化：高质量碳化硅衬底是支撑高性能器件稳定运行的核心基础。尽管当前碳化硅单晶质量已有大幅提升，但微管、位错、杂质等晶体缺陷仍普遍存在，直接影响器件性能与长期可靠性，未来将围绕缺陷控制持续实现技术突破。

低成本化：现阶段碳化硅单晶制备成本偏高，一定程度上制约了其在更多场景的规模化应用。后续可通过优化晶体生长工艺、提升良率与生产效率、降低原材料与耗材成本等路径，推动全产业链成本持续下探。

智能化：在人工智能、大数据等技术赋能下，碳化硅长晶过程将逐步实现智能化升级。通过搭载在线传感器、自动化控制系统，可对晶体生长全过程进行实时监测与精准调控，提升工艺稳定性与一致性；同时结合大数据分析对生长参数持续迭代优化，进一步提升晶体质量与生产效率。

4 结语

碳化硅作为第三代半导体核心材料，产业需求持续攀升，其单晶制备技术已形成PVT、TSSG、HTCVD三大主流路线，其中PVT法因工艺成熟、可控性强成为当前工业化生产主导方法。面向未来，碳化硅单晶制备技术将围绕大尺寸化、高质量化、低成本化、智能化四大方向持续升级。持续突破关键制备技术，将进一步释放碳化硅材料性能潜力，推动其在更多高端领域实现规模化应用，支撑第三代半导体产业高质量发展。

参考文献：
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[4] 胡智臣.第三代半导体SiC单晶生长用高纯SiC粉制备研究[D]. 南昌大学, 2023.
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