浅谈碳化硅衬底材料

所谓“第三代半导体”仅在国内这样称呼，在国际上统称为化合物半导体材料。SiC衬底具有明显的禁带宽度大、临界击穿电场强度大的特征，故而又被成为宽禁带半导体。相较于传统硅基器件，SiC功率器件的功率密度、开关效率和器件损耗上均有较大幅度优化。同硅基芯片类似，SiC功率器件生产流程一样从材料端衬底与外延的制备开始，经历芯片的设计与制造，再到芯片封测后，最后应用到下游市场。

为什么我国乃至全球都在大力发展SiC衬底材料？

首先，SiC由于其带隙宽度较宽、临界击穿电场强度较高，使其具备在高压环境下的应用能力。

其次，较高的热导率和熔点使SiC为衬底的器件能够实现快速的散热，满足高温环境的应用。

再次，较高的饱和飘逸速度使其能够达到更高的工作频率和实现高频开关的性能。同时，SiC器件具有化学惰性和耐腐蚀性，即使暴露在高达800°C的温度下，也不会受到酸或碱的侵蚀。

最后，SiC具有非常低的热膨胀系数，这意味着在极端温度变化下，它也保持尺寸稳定，同时具有出色的抗热震性。对比传统的硅基器件它的功率密度、开关效率和器件损耗上都有大幅度提升。

综上，以SiC为衬底的器件，因其诸多优越性能赋予其应用范围广、冷却成本低、尺寸小、轻量化、低损耗等特征。作为新型的半导体材料，凭借优良的材料特性，近几年碳化硅衬底市场规模快速扩大。根据 Wolfspeed 的预测，预计至2026 年，全球碳化硅材料(衬底+外延)市场规模将达17亿美元，相较于2022年提升近2.5倍。

那么，SiC衬底是如何生产的呢？以下以物理气相传输法——PVT简要说明：

   SiC晶体的生长方法主要有物理气相传输法(Physical Vapor Transport Method, PVT法)、高温化学气相沉积法(High Temperature Chemical Vapor Deposition, HTCVD法)、液相法(Liquid Phase Method)等。其中，PVT法是已发展较为成熟，是当前国际主流的长晶方式。 

PVT法，是指将SiC籽晶放置在石墨坩埚顶部，将SiC粉料作为原料放置在坩埚底部，在高温低压的密闭环境下，SiC粉料升华，并在温度梯度和浓度差的作用下向上传输至籽晶附近，待达到过饱和状态后再结晶的一种方法。该方法可以实现SiC晶体尺寸和特定晶型的可控生长。 

       据行业数据显示，目前SiC衬底成本占比约45%左右，远超过硅基衬底成本的30%左右，具体原因如下： 

1、使用PVT法生长SiC晶体需要在长时间的生长，在这过程中需要始终维持适宜的生长条件，否则会导致晶格紊乱，从而影响晶体的质量。

2、SiC晶体的生长是在密闭空间内完成的，有效的监控手段少，过程难以进行有效控制。

3、SiC晶格种类变量多，因此工艺控制的难度较高。SiC晶体长晶速度相较硅单晶棒速度慢近千倍，导致碳化硅衬底产量少。

4、在切割研磨抛光环节，由于碳化硅是高硬度的脆性材料， 期切磨抛的加工难度增加，对碳化硅晶柱的材料利用率较低，产出晶片数量较少。