半导体材料是碳化硅Zui具前景的应用领域之一,碳化硅是目前发展Zui成熟的第三代半导体材料。随着生产成本的降低,SiC半导体正在逐步取代一、二代半导体。
碳化硅半导体产业链主要包括碳化硅高纯粉料、单晶衬底、外延片、功率器件、模块封装和终端应用等环节。
1.碳化硅高纯粉料
碳化硅高纯粉料是采用PVT法生长碳化硅单晶的原料,其产品纯度直接影响碳化硅单晶的生长质量以及电学性能。
碳化硅粉料有多种合成方式,主要有固相法、液相法和气相法3种。其中,固相法包括碳热还原法、自蔓延高温合成法和机械粉碎法;液相法包括溶胶-凝胶法和聚合物热分解法;气相法包括化学气相沉积法、等离子体法和激光诱导法等。
2.单晶衬底
单晶衬底是半导体的支撑材料、导电材料和外延生长基片。生产碳化硅单晶衬底的关键步骤是单晶的生长,也是碳化硅半导体材料应用的主要技术难点,是产业链中技术密集型和资金密集型的环节。
目前,SiC单晶生长方法有物理气相传输法(PVT法)、液相法(LPE法)、高温化学气相沉积法(HTCVD法)等。
3.外延片
碳化硅外延片,是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶薄膜(外延层)的碳化硅片。实际应用中,宽禁带半导体器件几乎都做在外延层上,碳化硅晶片本身只作为衬底,包括GaN外延层的衬底。
目前,碳化硅单晶衬底上的SiC薄膜制备主要有化学气相淀积法(CVD)、液相法(LPE)、升华法、溅射法、MBE法等多种方法。
4.功率器件
采用碳化硅材料制造的宽禁带功率器件,具有耐高温、高频、高效的特性。按照器件工作形式,SiC功率器件主要包括功率二极管和功率开关管。SiC功率器件与硅基功率器件一样,均采用微电子工艺加工而成。
从碳化硅晶体材料来看,4H-SiC和6H-SiC在半导体领域的应用Zui广,其中4H-SiC主要用于制备高频、高温、大功率器件,而6H-SiC主要用于生产光电子领域的功率器件。