本文来聊聊碳化硅的那些事儿。
碳化硅材料的发展史可追溯到很久之前。早在1824年，瑞典化学家Berzelius在人工合成金刚石的过程中，意外发现了碳化硅SiC。而后，在19世纪末，Acheson通过高温加热焦炭、硅石混合物以及氯化钠，成功制备出了小尺寸的碳化硅晶体，尽管这种方法得到的晶体存在大量缺陷。
到了20世纪初，碳化硅的应用开始起步。例如，在1907年，的Round成功制造出了首个碳化硅发光二极管。而在随后的几十年里，由于单晶生长的难度较大，碳化硅的应用受到限制。在1955年，飞利浦公司推出了一种新的制备高质量碳化硅的方法——Lely法，使得碳化硅材料重新焕发生机。
七八十年代是碳化硅制备及应用的重要突破期。前苏联科学家Tairov等人在1978年改良了Lely法，成功获得了大尺寸的碳化硅晶体。此后，随着技术的发展，碳化硅的应用领域不断扩展。例如，Cree公司采用升华法生长出碳化硅晶片，并实现了产业化。
如今的碳化硅及其应用呈现出若干特点。首先是晶圆尺寸的增大，Cree公司已经实现了6英寸碳化硅晶片的产业化，并正积极推进8英寸晶片的产业化。其次是晶体缺陷密度的降低，例如4英寸碳化硅单晶的微管密度已经下降至0.1cm^-2以下。碳化硅基功率器件也不断涌现，如SiC-MOSFET、D和HMET等器件。值得一提的是，在碳化硅第三代半导体领域的发展水平已经与国外基本持平，在衬底、器件制造等方面均取得了重要进展。
碳化硅材料拥有超过200种的晶体结构，其中4H、6H和15R等是主要的结构类型，并且4H和6H已经实现了产业化。从材料特性来看，碳化硅拥有最高的热导率、较高的带隙、电子迁移率和饱和电子速率等，因此可以制造出在高温、高压、更高功率和更高工作频率等极端环境下的器件。
在具体应用方面，碳化硅已经实现了多方面的应用。例如，它可以作为衬备高亮度和超高亮度蓝绿InGaN铟镓氮LED。还可以制造KV级高压MOSFET器件、300V到1200V甚至更高压的碳化硅基肖特基势垒管D等。在半绝缘碳化硅衬底上还可以制备氮化镓、铝镓氮AlGaN高电子迁移率晶体管HEMT等。值得一提的是，SiC-IGBT也取得了突破性的进展。
关于碳化硅的制备技术方面，目前多采用改进Lely法、高温CVD法和溶液法等方法。其中改进Lely法是最主流的方法之一。该方法由前苏联科学家Tairov和Tsvetkov于1978年提出，也被称为物理气相传输法PVT。在改进Lely法中，碳化硅单晶生长经历了多个阶段，包括低温高真空阶段、高压升温阶段等。为了制备符合要求的碳化硅单晶，还需要对籽晶的籽晶面等进行微调以降低微管、位错密度等缺陷。另外根据掺杂类型的不同如P型掺杂和N型掺杂还无形中提升了碳化硅的制备难度与复杂性。举例来说为制造功率器件需要低电阻率的N型4H-SiC衬底而制造过程中就需要对掺杂技术进行合理控制调整以实现高品质单晶的制备。
