如何控制碳化硅晶体的导电强弱？

1891年，美国化学家艾奇逊在电熔金刚石时发现了碳化硅，1893年他公布了第一个工业制造碳化硅的专利。但直到1955年，飞利浦（荷兰）实验室的Lely才开发出生长高品质碳化硅晶体材料的方法。到了1987年，商业化生产的SiC衬底进入市场，进入21世纪后，SiC衬底的商业应用才算全面铺开。

在常温下，SiC是一种半导体，电阻率在10-2～1012Ω·m之间，随着温度升高而有所减少，也随晶杂质的种类和数量而变化。而在半导体领域中，不同情况下对SiC单晶的电气绝缘性能有着不同的要求，因此如何对这一点进行调控一直以来都是一个非常受关注的话题。

如何控制？

目前国际上基本上采用物理气相传输法（PVT）制备碳化硅单晶，这种方法中SiC粉料纯度对晶片质量影响很大。粉料中一般含有极微量的氮（N），硼（B）、铝（Al）、铁（Fe）等杂质，其中氮是n型掺杂剂，在碳化硅中产生游离的电子，硼、铝是p型掺杂剂，产生游离的空穴。

为了制备n型导电碳化硅晶片，在生长时需要通入氮气，让它产生的一部分电子中和掉硼、铝产生的空穴（即补偿），另外的游离电子使碳化硅表现为n型导电。为了制备高阻不导电的碳化硅（半绝缘型），在生长时需要加入钒（V）杂质，钒既可以产生电子，也可以产生空穴，让它产生的电子中和掉硼、铝产生的空穴（即补偿），它产生的空穴中和掉氮产生的电子，所以所生长的碳化硅几乎没有游离的电子、空穴，形成高阻不导电的晶片（半绝缘型，SI）。不过由于掺钒工艺复杂，所以半绝缘碳化硅很难制备，成本很高。另外，p型导电碳化硅也不容易制备，特别是低阻的p型碳化硅。

目前已出现了另一种碳化硅晶体生长方法，即采用高温化学气相沉积方法（HTCVD）。它是用气态的高纯碳源和硅源，在2200℃左右合成碳化硅分子，然后在籽晶上凝聚生长，生长速率一般为0.5~1mm/h左右，略高于PVT法，也有研究机构可做到2mm/h的生长速率。气态的高纯碳源和硅源比高纯SiC粉末更容易获得，成本更低。由于气态源几乎没有杂质，因此，如果生长时不加入n型掺杂剂或p型掺杂剂，生长出的4H-SiC就是高纯半绝缘（HPSI）半导体。HPSI与SI是有区别的，前者载流子浓度3.5×1013～8×1015/cm3范围，具有较高的电子迁移率；后者同时进行n、p补偿，是高阻材料，电阻率很高，一般用于微波器件衬底，不导电。如果要生长n型掺杂或p型掺杂的4H-SiC也非常好控制，只要分别通入氮或者硼的气态源就可以实现，而且通过控制通入的氮或者硼的流量，就可以控制碳化硅晶体的导电强弱。

PVT法和HTCVD法生长碳化硅晶体原理图

应用上的差异

电阻率的差异，使不同碳化硅晶片的用途也各有不同，具体产业链可看下图：

图片来源：天科合达

其中，导电型碳化硅晶片可作为衬底材料，经过外延生长、器件制造、封装测试，制成碳化硅二极管、碳化硅MOSFET等功率器件，适用于高温、高压等工作环境，应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域，市场规模较大；

而半绝缘型碳化硅则可作为衬底材料，经过外延生长、器件制造、封装测试，制成HEMT等微波射频器件，适用于高频、高温等工作环境，主要应用于5G通讯、卫星、雷达等领域，市场需求提升较为明显。

资料来源：

碳化硅半导体技术及产业发展现状，刘兴昉，陈宇。