摘要

碳化硅（SiC）作为第三代宽禁带半导体核心材料，凭借其高击穿场强（>3 MV/cm）、高热导率（4.9 W/cm·K）及高电子饱和漂移速率（2×10⁷ cm/s）等特性，在高温、高频、大功率应用场景中展现出不可替代的优势。本文系统综述SiC的物理化学特性、主流制备工艺、产业化应用现状及前沿发展趋势，为相关领域研究提供技术参考。

一、SiC基本特性与晶体结构

1.1 材料本征特性

碳化硅（化学式SiC）是由硅碳原子以强共价键结合而成的IV-IV族化合物，其晶体结构呈现多型体特征（Polytypism），常见类型包括立方相3C-SiC、六方相4H-SiC和6H-SiC。其中4H-SiC因各向同性电子迁移率（~900 cm²/V·s）成为功率器件主流衬底材料[1]。

1.2 宽禁带半导体优势

宽禁带半导体是指在室温下具有较宽的能隙，能够吸收紫外线和可见光，同时具有高的热导率和电子迁移率的半导体材料。SiC碳化硅就是典型的宽禁带半导体材料之一。宽禁带特性使SiC器件可在600℃高温下稳定工作（Si极限150℃），同时实现超低导通电阻（降低至Si的1/300），显著提升能源转换效率[3]。

二、SiC制备技术进展

2.1 体单晶生长技术

物理气相传输法：

当前主流商用衬底制备技术。通过石墨坩埚内SiC粉末在2200-2500℃升华，在籽晶表面再结晶。关键突破在于籽晶温度梯度控制（ΔT<15℃/cm）实现150mm衬量产，位错密度降至10³ cm⁻²量级[4]。

高温化学气相沉积（HTCVD）：

采用SiH₄+C₃H₈前驱体在2000℃沉积，生长速率达0.5mm/h且杂质可控，适用于n型重掺杂衬底（浓度10¹⁹ cm⁻³）[5]。

2.2 外延薄膜技术

化学气相沉积（CVD）：

在1600℃下通入SiH₄+C₂H₄/H₂混合气体，通过台阶控制外延实现10-100μm厚膜生长，掺杂均匀性达±5%。最新进展表明采用氯化物前驱体可提升生长速率至50μm/h[6]。

物理气相沉积（PVD）：

物理气相沉积法也是制备SiC碳化硅的一种重要方法。该方法通过将含有硅和碳元素的气体或固体颗粒引入反应室中，并在高温下发生化学反应或物理吸附，形成SiC碳化硅薄膜。

三、产业化应用领域

3.1 电力电子器件

SiC碳化硅具有高电子迁移率、高热导率和高抗辐射性能等特点，因此广泛应用于电力电子器件领域，如功率半导体器件、IGBT、MOSFET等。

• MOSFET：1200V SiC MOSFET比导通电阻低至2.5mΩ·cm²，开关损耗仅为Si IGBT的1/5[7]；
• 肖特基二极管：反向恢复电荷Q_rr≈0，实现MHz级高频开关（应用于特斯拉Model 3 OBC）[8]；

3.2 新能源汽车系统

SiC碳化硅具有高温稳定性和高频特性，因此被广泛应用于汽车电子领域，如车载充电器、电机控制器等。

3.3 航空航天高温系统

SiC碳化硅具有高温稳定性和高强度特点，因此被广泛应用于航空航天领域，如燃气轮机叶片、燃烧室、涡轮叶片等。

• 美国NASA开发SiC基耐高温传感器（800℃环境监测）
• Rolls-Royce在Trent发动机中采用SiC陶瓷基复合材料（CMC）涡轮叶片

四、技术发展趋势

4.1 材料制备方向

• 200mm衬底量产：Wolfspeed 2023年实现200mm 4H-SiC衬底缺陷密度<0.5 cm⁻²[10]
• 异质外延技术：SiC-on-Si方案降低成本（东京工业大学已实现3μm无裂纹外延层）[11]

4.2 器件创新方向

• 沟槽栅MOSFET：英飞凌CoolSiC™ G2产品导通损耗再降20%
• 逆导型IGBT（RC-IGBT）：三菱电机开发出15kV全SiC功率模块

4.3 新兴应用领域

• 量子技术：SiC中硅空位色心用于量子比特（Qubit）制备[12]
• 核能装备：SiC复合材料作为聚变堆第一壁材料（耐中子辐照>100 dpa）

结论

SiC半导体技术正从材料制备、器件设计到系统集成全链条快速发展。随着成本持续下降（预计2025年$5/cm²），其将在新能源并网、超快充电、高温物联网等领域引发颠覆性变革。未来研究需重点突破缺陷控制技术与晶圆级异质集成工艺，加速推进宽禁带半导体产业化进程。

参考文献:

[1] Kimoto, T., & Cooper, J. A. (2014). Fundamentals of Silicon Carbide Technology. Wiley.
[2] Baliga, B. J. (2019). The future of power semiconductor device technology. Proceedings of the IEEE, 107(12), 2481-2495.
[3] Millán, J., et al. (2014). A survey of wide bandgap power semiconductor devices. IEEE Trans. Power Electron., 29(5), 2155-2163.
[4] Chen, Q., et al. (2023). *Defect reduction in 200-mm 4H-SiC crystals via PVT growth optimization*. Journal of Crystal Growth, 609, 127136.
[5] Wellmann, P. J. (2017). Review of SiC crystal growth technology. Semicond. Sci. Technol., 33(10), 103001.
[6] Leone, S., et al. (2020). Chloride-based CVD growth of SiC epilayers at high growth rates. J. Mater. Chem. C, 8(32), 10941-10948.
[7] Zhang, Z., et al. (2022). *1.2kV SiC MOSFET with ultra-low specific on-resistance*. IEEE Electron Device Lett., 43(6), 899-902.
[8] Wang, J., et al. (2021). Analysis of Tesla Model 3 SiC traction inverter. IEEE Trans. Ind. Appl., 57(1), 648-657.
[9] Yole Développement. (2023). SiC for Automotive 2023 Report.
[10] Wolfspeed. (2023). 200mm SiC Wafer Technology White Paper.
[11] Fujiwara, H., et al. (2022). *Heteroepitaxial growth of 3C-SiC on Si by laser CVD*. Appl. Phys. Express, 15(5), 055503.
[12] Anderson, C. P., et al. (2022). Five-second coherence of a single spin with single-shot readout in silicon carbide. Sci. Adv., 8(5), eabm5912.