傳統的半導體材料如以矽、砷化鎵等在微電子、光電子等領域應用廣闊，然而隨著技術的不斷進步，受材料性能所限，這些傳統半導體製成的電子器件，很難滿足於現代電子技術對於高溫、高頻、高壓等工作條件下的新要求，而以碳化矽為代表的新型半導體材料，所具有的隙帶寬度大、熱導率高、臨界擊穿電場高等特點，在高頻大功率器件、高功率密度、高集成度器件及小型化半導體器件等領域備受青睞［１］。
- 碳化矽晶體的結構及性能
碳化矽材料是由矽和碳兩種元素，按照相同的化學計量比結合而成，其基本結構單元為矽-碳四面體，並以堆疊的方式結合在一起，每層密排結構中每個原子都與四個異種原子以sp3混成（原子發生sp3混成後，上述ns軌域和np軌域便會轉化成為四個等價的原子軌域，稱為「sp3混成軌域」）結合在一起，結構相對穩定，但層與層之間的鍵能較弱，堆疊位置各異，這也導致碳化矽晶體具有較多的同質多形體。
目前已被發現的有250多種異晶型，其晶型結構可分為立方（Ｃ）、六方（Ｈ）、菱方（Ｒ）三種基本結構，且均可轉化為六方結構進行描述，如圖１所示，將每層矽-碳單元以六方密排的形式堆積，可以看出密排面上的原子層存在著三種不同的堆疊位置，即 Ａ、Ｂ、Ｃ。按照全同粒子的密堆積原則，相鄰密排原子層必須以原子間隙對準，即在參考原子層上下相鄰的兩個層面有且只有兩種對準方式，假設 Ａ 原子層為第一層結構，則第二層結構則為 Ｂ、Ｃ中的一種，第三層則為異於第二層排列中的一種，如此往復，按照一定的週期進行排列，得到具有不同結構的碳化硅單晶。
表１為幾種常見的碳化矽單晶結構及性能指標。從表中可以看出，原子排列方式的不同，不僅僅體現在晶體結構和類型上，其物理性質，如載子遷移率、帶隙、擊穿電壓等都存在著較大差異，這些差異性也使得不同晶體碳化矽材料製備得到的半導體器件，具有各自的固有特徵，利用這一特性，可製作碳化矽不同多型，晶格完全匹配的異質復合結構，得到性能更為優異的半導體器件。
２ 碳化矽晶體生長的重點及難點介紹
碳化矽晶型的多樣性也是獲取單一晶型的難點之一。製作高壓大容量碳化矽功率半導體器件，要求晶體材料所具有的大直徑、應力應變小、位錯缺陷少，晶型單一等品質，就必須著手解決異晶型夾雜以及晶型間相互轉化的問題。異晶型夾雜是指生長出的晶體，具有多種晶型結構，其問題主要咎於生長條件及熱動力學條件等的限制，但迄今為止尚未找到一種合適的生長機制來闡述該種現象，仍需要科研工作者的進一步探索。多型體相互間的轉化，則是指晶體類型可以在一定條件下相互轉化，如圖２所示：
Ｔ＞１４００℃，２Ｈ－ 碳化矽可以完全轉化為３Ｃ－碳化矽
T在１８００～２４００ ℃的溫度範圍內３Ｃ－碳化矽將轉化為６Ｈ－碳化矽
Ｔ＞２０００℃，４Ｈ、１５Ｒ又可向６Ｈ－碳化矽轉化
Ｔ＞２５００℃高壓條件下，６Ｈ－碳化矽可向３Ｃ－碳化矽逆轉化
傳統的第一、二代半導體矽、砷化鎵的製備均是採用液相生長法，其特點是比較容易控制，生長過程簡單，生長晶體的純度和速度較高，是生長晶體時優先選用的方法。但碳化硅材料晶體生長的特殊性，使得液相生長得到單晶碳化硅的條件極為苛刻［２］。如圖３為矽-碳系統相圖，可以看出，當 Ｔ＞２８３０ ℃，才可以得到熔融態碳化矽，而在１４１２～２８３０ ℃，碳在矽中的溶解度僅為０．０１％～１９％，碳和矽化學計量比嚴重失衡，碳矽比不能按照１：１的比例排序，難以得到單晶碳化矽材料。
目前主流製備碳化矽單晶的方法為物理氣相傳輸法（ＰＶＴ法），其基本長晶原理如圖４所示，將粉末狀碳化矽料源置於石墨坩堝底部，通過感應線圈利用集膚效應加熱坩堝，達到一定溫度後料源分解為碳化二矽、矽、二碳化矽等氣體，自由揮發到坩堝頂部的晶種區域，經過一系列化學反應後再次生成碳化矽，並經由一定的軸向及徑向溫度梯度在晶種表面結晶，得到具有一定結構的單晶碳化矽。
目前制約著碳化硅晶體品質的關鍵指標主要有：碳化矽粉料品質、晶種的黏結、溫場的設計和保溫材料的選擇，晶體生長技術。其中每一項指標影響著最終碳化矽晶體的成品率和晶體品質。碳化矽粉料的製備多採用改進高溫自蔓延法，在高溫條件下高純碳和高純矽混合加熱，並清洗除雜後得到高純碳化矽粉，合成工序的選擇、碳矽粉的顆粒度降決定著最終得到碳化矽粉料的顆粒度、純度。晶種的黏結要確保和石墨鍋蓋之間沒有貼合緊密，沒有縫隙，微通道等，否者將會在晶體生長的過程中影響晶種表面的溫場分布，影響晶體品質。溫場的設計要確保溫場分布的均勻性，在加熱的過程中使粉料受熱均勻，揮發氣氛能夠在坩堝中平穩昇華，保溫材料的選擇是確保溫場穩定的關鍵因素之一，也是用來調節晶體生長時徑向和縱向溫度梯度的必要手段。晶體生長工藝的選擇需和晶體生長爐匹配，由於目前碳化矽晶體生長還未成熟，國際也沒有統一的標準，各研究機構通常都是自行設計晶體爐，同時，由於碳化矽晶體長晶的特殊性，晶體生長的過程中各參數難以實時掌控，所以晶體爐長晶需要根據經驗推測。
３ 碳化矽材料的發展前景分析
碳化矽材料的蓬勃發展，其應用領域也越來越廣闊，電源是功率器件市場最大的一個應用領域。電源功率的不斷增大，對於其所用的PFC（功率因數校正）電路及功率變換器提出了更高要求，如要求其轉換效率更高、體積更小、重量更輕等。這些新要求為碳化矽電力電子器件的發展提供了契機。
在全球大力提倡利用綠色環保可再生能源，光伏發電、水力發電、風力發電獲得了迅速發展。不過，當前矽基電力電子器件功率損耗大、效率較低，與之相比，碳化矽功率器件具有體積小、頻率高、效率高、能耗低、可靠性高、穩定性好等優勢，不但有益於清潔能源的利用，而且有益於電網的安全和穩定。電網中的高壓直流輸電、柔性輸電技術、負荷側的電機變頻控制等方面對功率器件也形成了大量的需求，碳化矽電力電子器件可以用來升級供電電網，這些器件可以優化電力分配系統，使電網的效率更高、切換更快，特別是遠距離輸電線路。新能源汽車的廣泛使用可極大地降低環境污染，但，重量、體積和成本是制約其發展的關鍵因素，通過使用碳化矽電力電子器件，在減小尺寸、重量和成本的同時，還可改善系統的效率。碳化矽器件在軌道交通和智能家居等領域也表現突出［３］。可以看出，技術升級，產品更新換代，需求的不斷升級，都為碳化硅產業的發展提供強勁動力。
根據Yolo公司統計，2017年4吋碳化矽晶圓市場接近10萬片；6吋碳化矽晶圓供貨約1.5萬片；到2020年，4吋碳化矽晶圓的市場需求保持在10萬片左右，單價將降低25%；6吋碳化硅晶圓的市場需求將超過8萬片。預計2025年前，4吋碳化矽晶圓的單價每年下降10%左右，市場規模逐步從10萬片市場減少到8萬片，6吋晶圓將從8萬片增長到20萬片；預計2030年前4吋晶圓會退出市場，6吋晶圓將增長至40萬片。
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