国内外碳化硅衬底材料发展的技术现状

(兰州石化职业技术学院应用化学工程学院，甘肃兰州，730060)

国内外碳化硅衬底材料发展的技术现状

李倩
(兰州石化职业技术学院应用化学工程学院，甘肃兰州，730060)

碳化硅衬底材料在民用和军用领域都具有极其重要的地位和巨大的市场需求，是电子信息时代不可替代的新型材料。2016年碳化硅电力电子市场规模高达2.1亿-2.4亿美元，随着科技的进步，碳化硅单晶衬底材料的技术将会越来越纯熟，其成本将逐渐降低，市场前景十分广阔。

碳化硅 衬底材料 技术进展

第三代半导体材料是提升新一代信息技术核心竞争力的重要支撑。作为第三代宽禁带半导体的典型代表，碳化硅单晶因具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优越性能，是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”[1,2]，在未来的宽禁带半导体器件市场中，碳化硅将扮演越来越重要的角色，占领更多功率和微电子器件市场。并且有望突破传统半导体技术的瓶颈，对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点将发挥重要作用。近年来，全球主要大国对SiC的研究均非常重视，仅在2016年，碳化硅电力电子市场规模就已达2.1亿-2.4亿美元之间。美国、欧洲、日本等不仅从国家层面上制定了相应的研究规划，而且一些国际电子业巨头也都投入巨资发展碳化硅半导体器件，纷纷投入大量的人力物力积极发展。

1 碳化硅

作为C和Si唯一稳定的化合物，SiC晶格结构由两个亚晶格致密排列组成，每个Si(或C)原子与周边包围的C(Si)原子通过定向的强四面体SP3键结合，虽然这种四面体键很强，但层错形成能量却很低，这一特点决定了SiC的多型体现象，目前，已经明晰结构的多型体有250余种，每种多型体的C/Si双原子层的堆垛次序稍有差异。其中，六角密排的4H、6H-SiC和立方密排的3C-SiC最为常见。不同的多型体具有不同的电学性能与光学性能。SiC的禁带宽度为Si的2-3倍，热导率约为Si的4.4倍，临界击穿电场约为Si的8倍，电子的饱和漂移速度为Si的2倍。碳化硅的这些优异性能使其成为耐高温、高频、抗辐射、大功率的半导体器件材料的不二选择，在原油勘探、航天、雷达、环境监测及航空、汽车马达、通讯系统和大功率的电子转换器及地面核反应堆系统的监控等领域的极端环境中，均有较高的应用价值[3]。另外，采用SiC所制备的发光二极管的辐射波长可以覆盖从蓝光到紫光的波段，在光集成电路与光信息显示系统等领域中具有广阔的应用前景。表1是三代半导体材料主要性能对比。

表1 半导体材料关键性能对比

2 碳化硅衬底材料技术进展

2.1 国外碳化硅衬底材料发展现状

二十世纪五六十年代，通过科学研究，人们就已经发现碳化硅半导体在物理、电子等方面的性能远优于硅半导体的特征。经过近半个世纪的发展，目前，硅半导体产业每年能够创造近万亿美元的市场交易，而以碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体产业才刚处于起步阶段。

其中，美国Cree公司是最早研究和生产碳化硅晶体和晶片的公司，该公司在1997年到1998年之间就可以生产2-3英寸的碳化硅晶片。后来同日本著名的日亚化学公司合作生产蓝光和紫光LED器件。近几年，欧盟启动了关于碳化硅的半导体器件重大研发项目，投入巨大的人力及财力支持此类项目的发展，这一举措将极大地推动碳化硅研究在欧洲的发展。

全球碳化硅晶片生产实力较强的公司有Cree、Dow Corning、Rohm等少数几家国外企业，上述几家公司掌握了几乎大部分的专利技术，占据了全球90%以上的碳化硅晶片市场份额。由于技术壁垒的限制，仅美国Cree公司一家就占据了全球碳化硅产量的85%，几乎垄断了整个碳化硅的市场。作为新兴产业，碳化硅是未来半导体产业发展的重点，产业规模预期将会接近甚至超越硅产业。

此外，随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世，“照明革命”已然到来，半导体灯将逐步替代传统的荧光灯和白炽灯。采用发光二极管(LED)作为新光源，同样亮度下，半导体灯的耗电仅为普通白炽灯的十分之一，而寿命却是其一百倍。如同晶体管替代电子管一样，由于半导体照明节能、环保、长寿命、免维护等显著优点，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯，已是大势所趋。在半导体照明市场的巨大利益驱动下，世界三大照明工业巨头纷纷与半导体公司合作，通用电气、飞利浦、奥斯拉姆集团均成立半导体照明企业，并提出要使半导体灯发光效率再提高8倍的同时，价格降低100倍。相关数据调查显示，受益于“半导体照明国家研究项目”，2010年前后，美国已有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯替代，每年可节电350亿美元。7年后的今天，仅在美国，半导体照明就可能形成一个500亿美元的大产业。此外，日本的“21世纪照明”研究发展计划、欧盟的彩虹计划、韩国的固态照明计划，均由政府投资，产业界公司和大学实验室联合开发共同执行。

2.2 国内碳化硅衬底材料技术发展情况

上世纪七十年代，中国就开展了碳化硅晶体的研究，其中代表机构有中科院物理研究所、中科院上海硅酸盐研究所、山东大学、力学研究所、46 所、西安电子科技大学等，经过几十年的发展，仍与国际先进水平存在较大差距。为此，科技部将SiC单晶生长列为“十五”863计划研究项目，总体上，山东大学在SiC单晶生长、加工和单晶炉研制的等关键技术上取得较大突破，处于国内领先地位。目前，2英寸、3英寸的SiC衬底已经商品化，并且成功掌握4英寸SiC单晶生长技术，正在研究的重点是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。西安电子科技大学微电子研究所已经通过外延生长法成功制得6H-SiC，目前正在展开进一步测试工作，以证明材料的晶格结构情况。同时，对材料的性质和载流子输运展开理论和实验研究，研究工作均取得了可喜的进展。

国内涉足SiC晶体生产的研究机构与企业也越来越多，通过自行研制、或引进生产设备，纷纷投入相关的研发及生产工作。在SiC晶片的使用上，许多企业开始引进外延设备进行商品化生产，SiC产业链已经初具规模。

目前，我国大功率电子器件、微波器件全部依赖进口，高端电子产品严重受制于国外；在半导体照明领域，LED芯片的国产化率虽然达到了50%以上，但基本上还是集中在中低端市场，国产LED芯片很少能够打入液晶电视背光、车用照明等高端产品的供应链之中。在目前的情况下，最重要的是要突破技术，近年来，我国政府也在投入巨额资金，大力发展半导体照明技术，以期推动半导体产业化进程。表2是我国近年半导体产业的主要的技术攻关项目。

表2 我国半导体产业化技术开发项目

3 碳化硅衬底材料市场需求状况

3.1 民用市场对碳化硅衬底材料的需求

随着技术进步，SiC器件的市场需求越来越大。根据数据统计显示，2005年至2009年SiC器件市场的年增长率为27%。与此同时，SiC二极管的容量不断增大和SiC晶体管的实际应用，带动了SiC器件性能的不断改善。

作为一种新型的半导体材料，专家统计，从2012-2015年开始，SiC器件将逐步在以下领域普及应用：开关元件、家电、电动车(EV)、分布式电源、配电低压电器、工业设备、电气机车、信息设备(整流元件)、汽车与混合动力车(HEV)。尤其在未来的信息产业中，碳化硅将有望产生不可估量的产业价值，就目前来看，市场对SiC材料的需求正呈急剧上升的趋势。表2显示半导体主要应用领域，除了SiC材料在高温器件、集成电路方面的大规模应用之外，传感器在石油钻探，紫外光敏二极管在汽车、大功率器件、飞机发动机监测、抗辐射加固器件、微波器件方面都有广阔的应用前景。

表3 宽禁带半导体主要应用领域

3.2 军事领域对碳化硅衬底材料的需求分析

碳化硅耐高温、与强酸、强碱均不起反应，具有优良的常温力学性能，非常高的抗磨损以及低的摩擦系数，导热导电性好，具有很强的抗辐射能力。碳化硅粉直接升华法可制得大体积、大面积碳化硅单晶，生成的单晶可生产蓝色或绿色场效应晶体管、发光二极管，其在军事工业中应用前景广阔。

国防建设是国家经济社会稳定发展的基石，其所需材料的性能不但具有一定的科学深度，而且有显著的经济、社会效益，能带动企业的发展，促进科技与经济的结合。使用碳化硅衬底制成的有源相控阵雷达可以探测到几千公里外棒球大小的物体，载有该雷达的预警机可以及早发现威胁，控制更广阔的区域。

4 结束语

宽禁带半导体材料作为一类新型材料，具有独特的电、光、声等特性，其制备的器件具有优异的性能，在众多方面具有广阔的应用前景。随着宽禁带技术的不断发展，材料工艺与器件工艺的逐渐成熟，SiC电力电子器件在不久的将来将会取代Si器件，无论是日常生活，还是军事应用，其重要性将逐渐显现，终将成为电子信息产业的主宰。

[1] 金平.半导体,引爆照明革命[J].今日科技，2005(02):26-28.

[2] MTSoo.Advances of SiC-based MOS capacitor hydrogen sensors for harsh environment applications[J].Sensors & Actuators B Chemical，2010(151):39-55.

[3] 郑志远.β-SiC薄膜制备及特性研究[D]. 保定: 河北大学,2002.

SiliconCarbideSubstrateMaterialProgressovertheAbroad

LiQian
(SchoolofAppliedChemicalEngineering,LanzhouPetrochemicalCollegeofVocationalTechnology,Lanzhou730060,Gansu,China)

Both in the field of civil and military, Silicon carbide substrate materials has extremely important position and the huge market demand，It is the non-substitutable new materials in the electronic information age，In 2016, the total market share has been reached 2.1-2.4 billon US dollars, With the advent of technology，Heavily sb-doped silicon carbide substrate materials technology will be more and more mature. The cost will be reduced gradually, the market prospect is very broad.

silicon carbide; substrate material; technology progress