探讨碳化硅在半导体行业中的发展潜力

探讨碳化硅在半导体行业中的发展潜力

郑彬彬 车博山，杨敏，刘涛

山西烁科晶体有限公司 030024

摘要：

碳化硅材料发展前景最好且产业附加值最高的应用方向是半导体领域。在硅半导体功率器件逐渐达到硅材料理论极限的背景下，以碳化硅为代表的第三代禁宽带半导体受到社会关注。本文就碳化硅在半导体行业的产业链及发展前景进行了详细探讨研究。

关键词：碳化硅材料；半导体行业；发展前景；

1. 碳化硅晶体结构的特点与优势

碳化硅的晶体结构稳定性较强，具备 和 两种晶体形态，决定着其立方晶格的组成方式，拥有100多种多型体，其中6h多型体在工业上运用最为广泛。在超过1600摄氏度时，碳化硅以 的形式存在，且其形态会随着温度的变化而变化。另外，在温度大于2000摄氏度时，会出现15R和6H多型体。

碳化硅的原子结构及结晶形态决定了其具备良好的耐高温性，为碳化硅元器件在高温电子工作中的应用奠定了坚实基础。该材料本身属于一种宽带隙半导体，不同的结晶状态对应不同的带隙，表现为不同颜色的发光材料。因此，可以将其制作成LED发光二极管，实现蓝色及绿色等多种颜色的发光效用。

实际应用中可以根据碳化硅具备的多型体晶格及半导体特性的差异匹配相应的碳化硅多型体。在筛选时，须选择具备良好的稳定性及符合实际应用需求的超晶格结构，以获得器件的最佳性能。

2. 碳化硅材料的主要应用

首先，碳化硅具备体积小、频率高、耐高压、耗能低、功率大等特点，可以广泛应用于半导体领域，制作JBS及PiN功率发光二极管，MOSFET、JFET、IGBT等功率开关管等。半导体材料属于功能陶瓷，以碳化硅为代表的第三代宽禁带半导体材料广泛应用于电子器件、电力电子器件等领域。

其次，碳化硅具备耐磨、耐腐蚀、耐水的特点，广泛应用于石化领域，可以用来制作用于强酸强碱环境中的轴承、密封、泵零件、热交换器等，或用于高液压、高密封性能、研磨环境下的喷嘴及阀片，高温氧化环境中的气化管道、热偶套管。

再次，碳化硅具备高强度、耐热震、耐磨等特点，可以应用于机械制造领域，制作研磨的内衬、喷砂嘴、泵零件，或发动机的燃烧器部件、轮机叶子、转子、轴承等。碳化硅磨料的化学成分主要是游离碳、碳化硅及三氧化二铁。碳化硅的含量越高，说明其硬度与磨削性能越强。作为磨料，可以按照纯度将碳化硅分为黑碳化硅和绿碳化硅两种，属于 例如，在支链烷烃的异构化过程中，可以选择活性和选择性较高的碳化硅作为催化剂。

最后，碳化硅具备耐热、耐腐蚀、耐氧化的特性，可以应用于冶金行业，制作热交换器、燃烧元件、轴承、耐火材料等。另外，该材料与传统材料相比具备良好的化学稳定性及热导率，能用作质量优质的催化剂载体。例如在碳化硅上负载二硫化镍能保证其活性，可以用于净化汽车尾气。

3. 碳化硅半导体产业链

首先，碳化硅高淳粉料采用PVT法生长碳化硅单晶原料，其纯度决定着碳化硅单晶的电学性能及生长质量。可以采用气相法、液相法、固相法三种方式合成该粉料。其中固相法主要包括自蔓延高温合成方法、机械粉碎方法、碳热还原方法等；气相法包括等离子体法、激光诱导法等；液相法包括溶胶凝胶法、聚合物热分解法等。

其次，单晶衬底是半导体的支撑材料、外延生长基片和导电材料。该步骤的关键是实现单晶生长，是应用技术难点，资金密集型及技术密集型环节。目前可以采用HTCVD法、PVT法、LPE法等实现碳化硅单晶生长。

再次，外延片是在碳化硅衬底上生长的具备一定要求的、与衬底晶向相同的单晶薄膜碳化硅片。目前可以采用CVD法、LPE法、升华法、溅射法、MBE法等多种方式制备碳化硅晶体薄膜材料。

另外，运用碳化硅材料制备的宽禁带功率器件具有高效、耐高温、高频的特点，可根据其工作形式分为功率开关管或功率二极管，采用微电子工艺加工而成。

最后，在模块封装中，量产阶段的功率器件封装基本沿用了硅功率器件，其封装类型主要以TO220为主，还有一些采用TO247-4,D2PAK等新型封装方式，优化了功率器件的性能及可靠性，可以灵活地将其与各种应用方案结合。

4. 碳化硅半导体材料在国内外的发展前景

首先，碳化硅材料凭借着其高频、高压、高温等极端特殊环境中的优秀性能及稳定表现赢得了更加广阔的应用领域。目前，半导体材料及碳化硅材料受到社会的广泛关注，在直流、交流转换器等电源装置中得到了极为广泛的应用。该材料在轻轨牵引类的大功率电源转换领域有着较好的应用前景，其耗能低特性会加大环境友好型能源方式的转变，在未来有望广泛应用于风能逆变器、太阳能逆变器、电力驱动汽车及混合动力汽车等。

其次，碳化硅材料在智能电网、轨道交通、新能源汽车等领域有着较好的发展前景。当今世界对轻量化、高转换效率、低发热量的半导体材料需求越来越高，碳化硅半导体能满足市场需求，在功率器件取代传统单质硅器件的进程中带来新的推动力量。国家对于大功率电器及新能源汽车项目的需求量不断攀升，须建立一万多个由国家电网服务的电动汽车充电站、完善电动汽车充电网络建设，满足新能源汽车的电力供应需求。因此，在新时代背景下，碳化硅材料拥有巨大的发展潜力。

最后，美国的一些公司是全球范围内碳化硅市场的行业领先者。欧洲及日本推行众多生产碳化硅单晶的计划，希望提高其在碳化硅市场中的地位。中国是碳化硅的需求大国，其使用量可以达到全球总量的一半以上。但中国主要从事碳化硅材料制作，主要器件研发技术攻关有待进一步加强，碳化硅产业发展仍需进一步发展壮大。

结语：

综上所述，碳化硅材料具备诸多良好的物理化学性质，获得了十分广阔的应用空间，占领了半导体材料市场。该材料广泛应用于石油化工、机械制造、冶金、半导体等领域，其中半导体领域是最具发展潜力的应用领域。目前，全球碳化硅半导体产业仍处于初级发展时期，绝大部分以初始形态应用到研磨材料或耐火材料中，中国须尽快开发碳化硅在半导体领域的更大价值，推动该行业的快速发展。

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