引言：相比于目前成熟使用的硅基材采用碳化硅基材的電子元件性能優勢十分顯著，尤其是在高壓與高頻的性能上，然而這些優勢卻始終未能讓碳化硅元件轉換成較大的市場規模，其主要原因就出在碳化硅晶圓的制造和產能的不順暢。下文小編將帶大家簡單了解一下碳化硅晶圓。

圖1：6英寸碳化硅外延片

碳化硅單晶有點牛？

硅是傳統且應用最為廣泛的半導體材料，其制備技術發展成熟，但局限于硅本身的電子和空穴遷移速度在未來很難滿足更高性能半導體器件的需求。相比于傳統的老大哥“硅”，碳化硅這個近來有點火的新兵蛋子，有許多先天上更為卓越的性能。

例如，硅材料的極限工作溫度為300℃，而碳化硅可以達到600℃以上，硅材料的熱導率僅為1.5W·cm^-1·K^-1，而碳化硅的熱導率可高達4.9W·cm^-1·K^-1，這就使得碳化硅在一定工作溫度內，無需增加散熱裝置，有利于設備的小型化發展；與傳統的硅器件比，SiC二極管可以實現端很多的反向恢復時間，從而實現更快的開關，其反向恢復電荷要少很多，從而可降低開關損耗，SiC MOSFET沒有傳統硅IGBT關斷特性中所具有的拖尾電流，因此可以將關斷損耗降低多達90%，與此用時可以增加開關頻率，從而減少對外部平波電容的依賴，一言以蔽之“能耗低”。

圖2：碳化硅使功率器件突破了硅的極限

來源：www.st.com

碳化硅為第三代半導體的主要代表之一，總的來說擁有禁帶寬度大、器件極限工作溫度高、臨界擊穿電場強度大、熱導率等顯著的特點。SiC功率器件可用于混動汽車和純電動汽車的逆變器、太陽能發電系列中的功率調節器，以及工業設備中使用的輸出功率為數千瓦~數十千瓦的電力轉化器等廣闊領域，近來受到業界的廣泛關注。此外，云數據、流媒體服務、物聯網等等急速發展，服務器需要更高的功率來處理越來越多的計算負載，也讓碳化硅、氮化鎵等寬禁帶第三代半導體材料有了大展拳腳的機會。

碳化硅單晶制造有何難點？

·長晶條件苛刻：一般而言，碳化硅晶圓需要在2000℃以上高溫（硅晶僅需在1500℃），以及350MPa以上才能達成。

·長得賊慢：依據目前硅晶業的生產情況，一般而言，生產8吋的硅棒晶，約需2天半的時間來拉晶，6吋的晶棒則約需一天。而碳化硅，光長晶的時間就約需7至10天。

·后加工困難：晶棒冷卻后需再進行切片、磨拋、清洗等后續工作。有金剛砂之稱的碳化硅自然也不是蓋的，高至9.5的莫氏硬度讓碳化硅晶圓的后加工變得非常困難。

條件艱難如它，而最讓人糟心的是：如果長晶過程中有一點點的溫度和壓力的失誤，那之前幾天的心血可能都會化為烏有......而SiC長晶的巨大困難點除了在石墨坩堝的黑盒子中無法即時觀察晶體生長狀況外，也因SiC具有200多種生成能皆很相近的晶態，要在如此嚴苛的條件下生長出大尺寸、無缺陷、全區皆為同一晶態4H（目前元件基板主流），則需要非常精確的熱場控制、材料匹配及經驗累積。

目前已在使用的長晶技術則包含高溫化學氣象沉積法（HTCVD），與高溫升華法（HTCVT）兩種。以目前良率最高的HTCVD法為例，它是以攝氏1500至2500度的高溫下，導入高純度的硅烷（SiH4）、乙烷或丙烷，或氫氣等氣體，在生長腔內進行反應，先在高溫區形成碳化硅前驅物，再經由氣體帶動進入低溫區的籽晶端前沉積形成單晶。然而，HTCVD技術必須精準的控制各區的溫度、各種氣體的流量、以及生長腔內的壓力，才有辦法得到品質精純的晶體。因此在產量與品質上仍是待突破的瓶頸。

圖3：碳化硅與硅晶的生產條件比較

由于碳化硅晶圓的生產具有一定的技術難度，能提供穩定的產量，能量產碳化硅晶圓的企業寥寥無幾，在全球市場中，單晶襯底企業主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日鐵住金、Norstel等，外延片企業主要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、羅姆、三菱電機、Infineon等，而在碳化硅器件方面全球大部分市場份額被Infineon、Cree、羅姆、意法半導體等少數企業瓜分。

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