什么是碳化硅单晶

碳化硅单晶的历史背景

半导体产业历经三个重要阶段，每个阶段都有关键半导体材料革新推动其发展。

第一代：20世纪中叶崛起，以硅（Si）和锗（Ge）为代表，硅因储量丰富、易提纯加工，成集成电路制造核心，广泛应用于计算机、通信领域，开启电子设备小型化、智能化进程。

第二代：20世纪70年代崭露头角，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等化合物半导体为代表，有更高电子迁移率和光电性能，适合制作高速、高频、低噪声电子及光电器件，如手机射频芯片、光纤通信激光器和探测器等。

第三代：如今第三代半导体材料引领新时代，碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料成主角，碳化硅单晶在新能源汽车、5G通信、光伏发电等领域潜力巨大。

碳化硅单晶的结构性能

独特结构

微观上，碳化硅单晶晶格由碳和硅原子通过强四面体sp³键紧密排列，形成稳定有序结构，存在超250种多型体，因层错形成能量低，C/Si双原子层堆垛次序多样。常见多型体中，3C - SiC属立方密排结构，晶格常数小、带隙相对低，电子迁移率高，适用于低频应用；4H - SiC和6H - SiC是六角密排结构，4H - SiC电子迁移率高、宽带隙，受高功率、高频电子器件领域青睐；6H - SiC能隙大、抗辐射强，用于航空航天、核能等极端环境。

卓越性能

碳化硅单晶性能卓越：禁带宽度是硅的2 - 3倍，能承受更高电压和温度，减少漏电，提高器件可靠性；热导率约是硅的4.4倍，能快速散热，提高器件稳定性和寿命；临界击穿电场约是硅的8倍，电子饱和漂移速度是硅的2倍，在高频、大功率应用中可提高开关速度和功率密度，降低能耗，提高系统效率。

碳化硅单晶的制备方法

碳化硅单晶制备需多种先进技术，物理气相传输法（PVT）、顶部籽晶溶液生长法（TSSG）和高温化学气相沉积法（HT - CVD）是主要路径。

物理气相传输法（PVT）

主流方法之一，原理基于物质升华和气相传输。将碳化硅粉末原料放石墨坩埚底部，加热至2000 - 2400℃，粉末升华成气态硅和碳原子，在温度梯度驱动下向籽晶区域传输，在籽晶表面沉积结晶。优点是对设备要求低、过程简单易控、技术成熟、应用广泛，国内能逐步量产8英寸衬底；缺点是位错密度高、扩径难、成品率低、成本高、晶型控制难、高温气体输运与反应过程需优化。

顶部籽晶溶液生长法（TSSG）

生长温度约2073K，在石墨坩埚中装硅原料和助溶剂，固定碳化硅籽晶，通惰性气体维持压强，加热使原料熔化形成溶液，溶液刻蚀坩埚内壁提供碳溶质，籽晶与液面接触后，在溶液对流作用下碳溶质迁移析晶实现晶体生长，需调控热场分布保证晶体稳定生长。优点是位错密度低、长晶速率快、结晶质量高、掺杂可控性强；缺点是温度梯度难精确调控、生长速率与结晶质量不平衡、晶体表面形貌粗糙、易出现溶剂夹杂。日本研究领先，国内科研团队也在积极探索并取得成果。

高温化学气相沉积法（HT - CVD）

对传统CVD技术改进，用硅烷和碳氢化合物作硅源和碳源，在2100 - 2300℃下反应生成碳化硅并沉积在籽晶上形成单晶。优点是晶体质量高、长晶速度快、可连续加料；缺点是设备和气体昂贵、成本高、商业化慢，主要用于制备半绝缘型SiC衬底，存在气源分解速度不稳定等技术难点，目前处于研发阶段，但相关企业不断取得突破。

碳化硅单晶的制备工艺

制备出碳化硅单晶后，需经切片、薄化、抛光等精密加工成高质量碳化硅晶片。

切片

将碳化硅晶锭按特定方向切割成厚度均匀、表面平整的晶片。常见技术有多线切割和激光切割。多线切割技术包括固结金刚石多线锯切割和游离磨料多线锯切割，可加工薄晶圆、切割产率高、材料耗损小，金刚线切割技术成主流迭代方案；激光切割技术包括水导激光、KABRA、冷切割和改质切割技术，各有特点。多线切割技术成熟、成本低，但可能损伤晶片；激光切割技术精度高、切口窄，但设备昂贵、技术待完善。未来切片技术将向提高效率、降低损伤、实现大尺寸切割发展。

薄化

减小晶片厚度，降低器件电阻和电容，提高性能和集成度，减少材料使用量，降低成本。主要通过磨削与研磨实现，如金刚石单面减薄技术、单双面研磨技术等。但碳化硅断裂韧性低，薄化易开裂，未来薄化技术将向提高效率、降低开裂风险、实现高精度薄化发展。

抛光

去除晶片表面划痕、损伤层和粗糙度，使表面达原子级光滑，满足器件制造要求。常用方法有机械抛光、化学机械抛光（CMP）、电化学抛光以及磁流变抛光技术等，各有优缺点，实际应用中会根据需求选择合适方法或结合多种方法。

碳化硅单晶的应用领域

新能源汽车领域

碳化硅功率器件是“明星选手”。在电机驱动系统中，碳化硅MOSFET能提高工作效率和续航里程；比亚迪汉采用SiC模块后性能提升，罗姆公司SiC逆变器减小电驱动控制器体积；在车载充电机（OBC）中，碳化硅MOSFET也有明显优势。

5G通信领域

碳化硅器件推动5G技术创新。在5G基站中，碳化硅基氮化镓（GaN - on - SiC）技术成主流，碳化硅的高导热性等优势满足5G通信要求，能实现高速率、低延迟数据传输，提高信号覆盖范围和传输质量，适用于MIMO基站。

航空航天领域

碳化硅单晶不可或缺。其耐高温性能满足航空发动机等部件需求，碳化硅基复合材料可提升部件性能；高硬度和低密度特性适合制造结构件，减轻飞机重量；抗辐射性能好，在卫星等航天器电子设备中广泛应用。

其他领域

在智能电网领域，可提升电力传输和转换效率；在轨道交通领域，可用于制造牵引变流器等关键设备；在光伏产业中，应用于逆变器可提高转换效率，降低成本。