常熟第三代半导体材料碳化硅材料特性与单晶生长制备工艺详解

碳化硅（SiC）由硅与碳以共价键为主结合而成，基本结构单元为Si-C四面体。目前已发现的SiC同质异型结构有200多种，其中六方结构的4H-SiC因临界击穿电场高、电子迁移率高，成为制造高压、高温、抗辐照功率器件的优良材料，也是目前商品化程度较高的第三代半导体材料之一。

一、SiC材料的核心优势

相比传统硅材料，4H-SiC具有若干显著优势：临界击穿电场强度约为硅的10倍；热导率超过硅的3倍；饱和电子漂移速度约为硅的2倍；抗辐照与化学稳定性好；并且可像硅一样通过热氧化在表面生长二氧化硅绝缘层。这些特性使其在新能源汽车、光伏逆变、轨道交通等高压高频场景中具有明显优势。

功率半导体经历了以锗、硅为代表的第一代，以砷化镓、磷化铟为代表的第二代，以及以碳化硅、氮化镓为代表的第三代发展阶段。SiC MOSFET因导通电阻低、热稳定性好、开关速度快、阻断电压高，成为近年来发展较快的功率器件之一。

二、碳化硅产业链结构

SiC功率半导体产业链主要包括单晶材料、外延材料、器件、模块与应用几个环节。单晶衬底是产业基础，外延是器件制造关键，器件是核心，模块是应用桥梁。目前国际上已批量供应8英寸衬底，国内在6英寸方面已具备量产能力，8英寸仍在研发推进中。

三、SiC单晶生长方法

物理气相传输法（PVT）是目前主流方法：高纯SiC粉料置于石墨坩埚底部作为生长源，籽晶固定在顶部，在2000℃以上高温下多晶粉体分解为Si、Si2C、SiC2等气相物质，在温度梯度驱动下输运到低温籽晶上结晶。通过控制温度场与气流，可获得导通型或半绝缘型衬底。

高温化学气相沉积法（HTCVD）在2000-2300℃、约40kPa条件下，用H2或He载带SiH4与C2H4进入反应器，高温分解反应生成SiC并沉积在衬底上。该法适合低缺陷、厚层材料生长。

四、外延与器件封装

与硅功率器件不同，SiC器件必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量外延层。主流外延技术为化学气相沉积（CVD），通过台阶流生长获得指定厚度与掺杂的外延材料。器件层面包括JBS二极管、PiN二极管、MOSFET、BJT、JFET、IGBT等类型。

为提升电流容量，通常把多颗芯片并联封装为功率模块。志远工业设备在真空烧结、真空钎焊炉、真空管式炉与气氛炉领域可为SiC器件封装与材料生长提供热工装备支持，助力第三代半导体产业链成熟。