碳化硅（SiC）材料是功率半導體行業主要進步發展方向，用于制作功率器件，可顯著提高電能利用率。可預見的未來內，新能源汽車是碳化硅功率器件的主要應用場景。特斯拉作為技術先驅，已率先在Model3中集成全碳化硅模塊，其他一線車企亦皆計劃擴大碳化硅的應用。隨著碳化硅器件制造成本的日漸降低、工藝技術的逐步成熟，碳化硅功率器件行業未來可期。

什么是碳化硅?

碳化硅（SiC）是第三代化合物半導體材料。半導體產業的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進程分為：第一代半導體材料（大部分為目前廣泛使用的高純度硅），第二代化合物半導體材料（砷化鎵、磷化銦），第三代化合物半導體材料（碳化硅、氮化鎵）。碳化硅因其優越的物理性能：高禁帶寬度（對應高擊穿電場和高功率密度）、高電導率、高熱導率，將是未來最被廣泛使用的制作半導體芯片的基礎材料。

碳化硅在半導體芯片中的主要形式為襯底。半導體芯片分為集成電路和分立器件，但不論是集成電路還是分立器件，其基本結構都可劃分為“襯底-外延-器件”結構。碳化硅在半導體中存在的主要形式是作為襯底材料。

碳化硅晶片是碳化硅晶體經過切割、研磨、拋光、清洗等工序加工形成的單晶薄片。

碳化硅晶片作為半導體襯底材料，經過外延生長、器件制造等環節，可制成碳化硅基功率器件和微波射頻器件，是第三代半導體產業發展的重要基礎材料。

根據電阻率不同，碳化硅晶片可分為導電型和半絕緣型。其中，導電型碳化硅晶片主要應用于制造耐高溫、耐高壓的功率器件，市場規模較大；半絕緣型碳化硅襯底主要應用于微波射頻器件等領域，隨著5G通訊網絡的加速建設，市場需求提升較為明顯。

SiC的硬度僅次于金剛石，可以作為砂輪等磨具的磨料，因此對其進行機械加工主要是利用金剛石砂輪磨削、研磨和拋光，其中金剛石砂輪磨削加工的效率最高，是加工SiC的重要手段。但是SiC材料不僅具有高硬度的特點，高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過程中易引起材料的脆性斷裂從而在材料表面留下表面破碎層，且產生較為嚴重的表面與亞表層損傷，影響加工精度。因此，深入研究SiC磨削機理與亞表面損傷對于提高SiC磨削加工效率和表面質量具有重要意義。

目前碳化硅的拋光方法主要有：機械拋光、磁流變拋光、化學機械拋光（CMP）、電化學拋光（ECMP）、催化劑輔助拋光或催化輔助刻蝕（CACP/CARE）、摩擦化學拋光（TCP，又稱無磨料拋光）和等離子輔助拋光（PAP）等。

化學機械拋光（CMP）技術是目前半導體加工的重要手段，也是目前能將單晶硅表面加工到原子級光滑最有效的工藝方法，是能在加工過程中同時實現局部和全局平坦化的唯一實用技術。

CMP的加工效率主要由工件表面的化學反應速率決定。通過研究工藝參數對SiC材料拋光速率的影響，結果表明：旋轉速率和拋光壓力的影響較大；溫度和拋光液pH值的影響不大。為提高材料的拋光速率應盡量提高轉速，雖然增加拋光壓力也可提高去除速率，但容易損壞拋光墊。

目前的碳化硅拋光方法存在著材料去除率低、成本高的問題，且無磨粒研拋、催化輔助加工等加工方法，由于要求的條件苛刻、裝置操作復雜，目前仍處在實驗室范圍內，批量生產的實現可能性不大。

人類1905年第一次在隕石中發現碳化硅，現在主要來源于人工合成，碳化硅有許多用途，行業跨度大，可用于單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等、太陽能光伏產業、半導體產業、壓電晶體產業工程性加工材料。

硅是半導體行業第一代基礎材料，目前全球95%以上的集成電路元器件是以硅為襯底制造的。目前，隨著電動汽車、5G等應用的發展，高功率、耐高壓、高頻率器件需求快速增長。

當電壓大于900V，要實現更大功率時，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露出短板，其在轉換效率，開關頻率，工作溫度等多方面都將受限。而碳化硅(SiC)材料由于具有禁帶寬度大(Si的3倍)、熱導率高(Si的3.3倍或GaAs的10倍)、電子飽和遷移速率高(Si的2.5倍)和擊穿電場高(Si的10倍或GaAs的5倍)等性質，SiC器件在高溫、高壓、高頻、大功率電子器件領域和航天、軍工、核能等極端環境應用領域有著不可替代的優勢，彌補了傳統半導體材料器件在實際應用中的缺陷，正逐漸成為功率半導體的主流。

碳化硅是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產綠色碳化硅時需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。

第三代半導體，由于在物理結構上具有能級禁帶寬的特點，又稱為寬禁帶半導體，主要是以氮化鎵和碳化硅為代表，其在半導體性能特征上與第一代的硅、第二代的砷化鎵有所區別，使得其能夠具備高禁帶寬度、高熱導率、高擊穿場強、高電子飽和漂移速率等優勢，從而能夠開發出更適應高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的小型化功率半導體器件，可有效突破傳統硅基功率半導體器件及其材料的物理極限。

編輯：黃飛

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