1891年，美國化學家艾奇遜在電熔金剛石時發現了碳化硅，1893年他公布了第一個工業制造碳化硅的專利。但直到1955年，飛利浦（荷蘭）實驗室的Lely才開發出生長高品質碳化硅晶體材料的方法。到了1987年，商業化生產的SiC襯底進入市場，進入21世紀后，SiC襯底的商業應用才算全面鋪開。

在常溫下，SiC是一種半導體，電阻率在10^-2～10¹²Ω·m之間，隨著溫度升高而有所減少，也隨晶雜質的種類和數量而變化。而在半導體領域中，不同情況下對SiC單晶的電氣絕緣性能有著不同的要求，因此如何對這一點進行調控一直以來都是一個非常受關注的話題。

如何控制？

目前國際上基本上采用物理氣相傳輸法（PVT）制備碳化硅單晶，這種方法中SiC粉料純度對晶片質量影響很大。粉料中一般含有極微量的氮（N），硼（B）、鋁（Al）、鐵（Fe）等雜質，其中氮是n型摻雜劑，在碳化硅中產生游離的電子，硼、鋁是p型摻雜劑，產生游離的空穴。

為了制備n型導電碳化硅晶片，在生長時需要通入氮氣，讓它產生的一部分電子中和掉硼、鋁產生的空穴（即補償），另外的游離電子使碳化硅表現為n型導電。為了制備高阻不導電的碳化硅（半絕緣型），在生長時需要加入釩（V）雜質，釩既可以產生電子，也可以產生空穴，讓它產生的電子中和掉硼、鋁產生的空穴（即補償），它產生的空穴中和掉氮產生的電子，所以所生長的碳化硅幾乎沒有游離的電子、空穴，形成高阻不導電的晶片（半絕緣型，SI）。不過由于摻釩工藝復雜，所以半絕緣碳化硅很難制備，成本很高。另外，p型導電碳化硅也不容易制備，特別是低阻的p型碳化硅。

目前已出現了另一種碳化硅晶體生長方法，即采用高溫化學氣相沉積方法（HTCVD）。它是用氣態的高純碳源和硅源，在2200℃左右合成碳化硅分子，然后在籽晶上凝聚生長，生長速率一般為0.5~1mm/h左右，略高于PVT法，也有研究機構可做到2mm/h的生長速率。氣態的高純碳源和硅源比高純SiC粉末更容易獲得，成本更低。由于氣態源幾乎沒有雜質，因此，如果生長時不加入n型摻雜劑或p型摻雜劑，生長出的4H-SiC就是高純半絕緣（HPSI）半導體。HPSI與SI是有區別的，前者載流子濃度3.5×1013～8×1015/cm3范圍，具有較高的電子遷移率；后者同時進行n、p補償，是高阻材料，電阻率很高，一般用于微波器件襯底，不導電。如果要生長n型摻雜或p型摻雜的4H-Si C也非常好控制，只要分別通入氮或者硼的氣態源就可以實現，而且通過控制通入的氮或者硼的流量，就可以控制碳化硅晶體的導電強弱。

PVT法和HTCVD法生長碳化硅晶體原理圖

應用上的差異

電阻率的差異，使不同碳化硅晶片的用途也各有不同，具體產業鏈可看下圖：

圖片來源：天科合達

其中，導電型碳化硅晶片可作為襯底材料，經過外延生長、器件制造、封裝測試，制成碳化硅二極管、碳化硅 MOSFET 等功率器件，適用于高溫、高壓等工作環境，應用于新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空航天等領域，市場規模較大；

而半絕緣型碳化硅則可作為襯底材料，經過外延生長、器件制造、封裝測試，制成HEMT等微波射頻器件，適用于高頻、高溫等工作環境，主要應用于 5G通訊、衛星、雷達等領域，市場需求提升較為明顯。

資料來源：

碳化硅半導體技術及產業發展現狀，劉興昉，陳宇。

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