半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代工業(yè)整機設(shè)備的核心，廣泛應(yīng)用于計算機、消費類電子、網(wǎng)絡(luò)通信、汽車電子等核心領(lǐng)域，半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)主要由四個基本部分組成：集成電路、光電器件、分立器件、傳感器，其中集成電路占到了80%以上，因此通常又將半導(dǎo)體和集成電路等價。

集成電路，按照產(chǎn)品種類又主要分為四大類：微處理器、存儲器、邏輯器件、模擬器件。然而隨著半導(dǎo)體器件應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，許多特殊場合要求半導(dǎo)體能夠在高溫、強輻射、大功率等環(huán)境下依然能夠堅持使用、不損壞，一、二代半導(dǎo)體材料便無能為力，于是第三代半導(dǎo)體材料便應(yīng)運而生。

目前，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料以更大的優(yōu)勢占領(lǐng)市場主導(dǎo)，統(tǒng)稱第三代半導(dǎo)體材料。第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場、熱導(dǎo)率、電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料（禁帶寬度大于2.2eV），亦稱為高溫半導(dǎo)體材料。從目前第三代半導(dǎo)體材料和器件的研究來看，較為成熟的是碳化硅和氮化鎵半導(dǎo)體材料，且碳化硅技術(shù)為成熟，而氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料的研究尚屬起步階段。

一、材料及其特性

碳化硅材料普遍用于陶瓷球軸承、閥門、半導(dǎo)體材料、陀螺、測量儀、航空航天等領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種在很多工業(yè)領(lǐng)域不可替代的材料。

SiC是一種天然超晶格，又是一種典型的同質(zhì)多型體。由于Si與C雙原子層堆積序列的差異會導(dǎo)致不同的晶體結(jié)構(gòu)，有著超過200種（目前已知）同質(zhì)多型族。因此SiC非常適合用作新一代發(fā)光二極管（LED）襯底材料、大功率電力電子材料。

碳化硅的物理化學(xué)性能

二、加工工藝研究

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(chǎn)生較為嚴(yán)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(zhì)量具有重要意義。

1、硬脆材料的研磨機理

對硬脆材料進行研磨，磨料對其具有滾軋作用或微切削作用。磨粒作用于有凹凸和裂紋的表面上時，隨著研磨加工的進行，在研磨載荷的作用下，部分磨粒被壓入工件，并用露出的劃刻工件的表面進行微切削加工。另一部分磨粒在工件和研磨盤之間進行滾動而產(chǎn)生滾軋作用，使工件的表面形成微裂紋，裂紋延伸使工件表面形成脆性碎裂的切屑，從而達到表面去除的目的。

因為硬脆材料的抗拉強度比抗壓強度要小，對磨粒施加載荷時，會在硬脆材料表面的拉伸應(yīng)力的大處產(chǎn)生微裂紋。當(dāng)縱橫交錯的裂紋延伸且相互交叉時，受裂紋包圍的部分就會破碎并崩離出小碎塊。此為硬脆材料研磨時的切屑生成和表面形成的基本過程。

由于碳化硅材料屬于高硬脆性材料，需要采用專用的研磨液，碳化硅研磨的主要技術(shù)難點在于高硬度材料減薄厚度的精確測量及控制，磨削后晶圓表面出現(xiàn)損傷、微裂紋和殘余應(yīng)力，碳化硅晶圓減薄后會產(chǎn)生比碳化硅晶圓更大的翹曲現(xiàn)象。

2、碳化硅的拋光加工研究

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

化學(xué)機械拋光（CMP）技術(shù)是目前半導(dǎo)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有效的工藝方法，是能在加工過程中同時實現(xiàn)局部和全局平坦化的實用技術(shù)。

CMP的加工效率主要由工件表面的化學(xué)反應(yīng)速率決定。通過研究工藝參數(shù)對SiC材料拋光速率的影響，結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)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(yīng)盡量提高轉(zhuǎn)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(fù)雜，目前仍處在實驗室范圍內(nèi)，批量生產(chǎn)的實現(xiàn)可能性不大。

人類1905年 一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅，現(xiàn)在主要來源于人工合成，碳化硅有許多用途，行業(yè)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(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、壓電晶體產(chǎn)業(yè)工程性加工材料。

在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用

碳化硅一維納米材料由于自身的微觀形貌和晶體結(jié)構(gòu)使其具備更多獨特的優(yōu)異性能和更加廣泛的應(yīng)用前景，被普遍認為有望成為第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料的重要組成單元。

第三代半導(dǎo)體材料即寬禁帶半導(dǎo)體材料，又稱高溫半導(dǎo)體材料，主要包括碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、氧化鋅、金剛石等。這類材料具有寬的禁帶寬度（禁帶寬度大于2.2ev）、高的熱導(dǎo)率、高的擊穿電場、高的抗輻射能力、高的電子飽和速率等特點，適用于高溫、高頻、抗輻射及大功率器件的制作。第三代半導(dǎo)體材料憑借著其優(yōu)異的特性，未來應(yīng)用前景十分廣闊。

在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用

光伏逆變器對光伏發(fā)電作用非常重要，不僅具有直交流變換功能，還具有大限度地發(fā)揮太陽電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護功能。歸納起來有自動運行和停機功能、大功率跟蹤控制功能、防單獨運行功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、自動電壓調(diào)整功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流檢測功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流接地檢測功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）等。

國內(nèi)逆變器廠家對新技術(shù)和新器件的應(yīng)用還是太少，以碳化硅為功率器件的逆變器，并且開始大批量應(yīng)用，碳化硅內(nèi)阻很少，可以把效率做很高，開關(guān)頻率可以達到10K，也可以節(jié)省LC濾波器和母線電容。碳化硅材料在光伏逆變器應(yīng)用上或有突破。

在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

碳化硅制作成碳化硅纖維，碳化硅纖維主要用作耐高溫材料和增強材料，耐高溫材料包括熱屏蔽材料、耐高溫輸送帶、過濾高溫氣體或熔融金屬的濾布等。用做增強材料時，常與碳纖維或玻璃纖維合用，以增強金屬（如鋁）和陶瓷為主，如做成噴氣式飛機的剎車片、發(fā)動機葉片、著陸齒輪箱和機身結(jié)構(gòu)材料等，還可用做體育用品，其短切纖維則可用做高溫爐材等。

碳化硅粗料已能大量供應(yīng)，但是技術(shù)含量極高 的納米級碳化硅粉體的應(yīng)用短時間不可能形成規(guī)模經(jīng)濟。碳化硅晶片在我國研發(fā)尚屬起步階段，碳化硅晶片在國內(nèi)的應(yīng)用較少，碳化硅材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展缺乏下游應(yīng)用企業(yè)的支撐。就人才培養(yǎng)和技術(shù)研發(fā)等開展密切合作；加強企業(yè)間的交流，尤其要積極參加國際交流活動，提升企業(yè)發(fā)展水平；關(guān)注企業(yè)品牌建設(shè)，努力打造企業(yè)的拳頭產(chǎn)品等。
全球半絕緣碳化硅晶圓材料市場的發(fā)展趨勢。半絕緣襯底具備高電阻的同時可以承受更高的頻率，因此在5G通訊和新一代智能互聯(lián)，傳感感應(yīng)器件上具備廣闊的應(yīng)用空間。當(dāng)前主流半絕緣襯底的產(chǎn)品以4英寸為主。2017年，全球半絕緣襯底的市場需求約4萬片。預(yù)計到2020年，4英寸半絕緣襯底的市場保持在4萬片，而6英寸半絕緣襯底的市場迅速提升4~5萬片；2025~2030年，4英寸半絕緣襯底逐漸退出市場，而6英寸晶圓將增長20萬片。
國際上碳化硅單晶襯底材料的產(chǎn)業(yè)化公司主要有美國科銳（Cree）、II-VI、道康寧（Dow Corning），德國SiCrystal（被日本羅姆Rohm收購）等公司，其碳化硅單晶產(chǎn)品覆蓋4英寸和6英寸。
國內(nèi)主要碳化硅單晶襯底材料企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)已經(jīng)具備了成熟的4英寸零微管碳化硅單晶產(chǎn)品，并已經(jīng)研發(fā)出了6英寸單晶樣品，但是在晶體材料質(zhì)量和產(chǎn)業(yè)化能力方面距離國際先進水平存在一定差距。
碳化硅外延材料
與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同的是，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導(dǎo)通型單晶襯底上額外生長高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。主要的外延技術(shù)是化學(xué)氣相沉積（CVD），通過臺階流的生長來實現(xiàn)一定厚度和摻雜的碳化硅外延材料。隨著碳化硅功率器件制造要求和耐壓等級的不斷提高，碳化硅外延材料不斷向低缺陷、厚外延方向發(fā)展。近年來，薄碳化硅外延材料（20 μm以下）的質(zhì)量不斷提升，外延材料中的微管缺陷已經(jīng)消除，掉落物、三角形、胡蘿卜、螺位錯、基平面位錯、深能級缺陷等成為影響器件性能的主要因素。隨著外延生長技術(shù)的進步，外延層厚度也從過去的幾μm、十幾μm發(fā)展到目前的幾十μm、上百μm。
由于碳化硅器件必須制作在外延材料上，所以基本上所有碳化硅單晶材料都將作為襯底材料用來生長外延材料。國際上碳化硅外延材料技術(shù)發(fā)展迅速，高外延厚度達到250 μm以上。其中，20 μm及以下的外延技術(shù)成熟度較高，表面缺陷密度已經(jīng)降低到1個/cm2以下，位錯密度已從過去的105個/cm2，降低到目前的103個/cm2以下，基平面位錯的轉(zhuǎn)化率接近100 %，已經(jīng)基本達到碳化硅器件規(guī)?；a(chǎn)對外延材料的要求。近年來國際上30 μm~50 μm外延材料技術(shù)也迅速成熟起來，但是由于受到市場需求的局限，產(chǎn)業(yè)化進度緩慢。目前批量碳化硅外延材料的產(chǎn)業(yè)化公司有美國的Cree、Dow Corning，日本昭和電工（Showa Denko）等。
我國碳化硅外延材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化水平緊緊跟隨國際水平，產(chǎn)品已打入國際市場。在產(chǎn)業(yè)化方面，我國20μm及以下的碳化硅外延材料產(chǎn)品水平接近國際先進水平；在研發(fā)方面，我國開發(fā)了100μm的厚外延材料，在厚外延材料缺陷控制等方面距離國際先進水平有一定的差距。同時，由于國內(nèi)碳化硅芯片制造能力薄弱，對碳化硅單晶和材料的需求較低，尚不足以完全支撐和拉動我國碳化硅單晶襯底和外延材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
碳化硅功率器件
碳化硅功率半導(dǎo)體器件包括二極管和晶體管，其中二極管主要有結(jié)勢壘肖特基功率二極管（JBS）、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管（MPS）；晶體管主要有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）等。
2001年，德國英飛凌（Infineon）公司先發(fā)布碳化硅肖特基功率二極管產(chǎn)品，同年美國Cree公司也實現(xiàn)了碳化硅肖特基功率二極管的產(chǎn)業(yè)化。由于碳化硅晶體管的技術(shù)難度大，產(chǎn)業(yè)化進度落后于二極管。2010年，日本Rohm公司首先量產(chǎn)SiC MOSFET產(chǎn)品，2011年美國Cree公司開始銷售SiC MOSFET產(chǎn)品。SiC IGBT和GTO等器件由于技術(shù)難度更大，仍處于研發(fā)階段，距離產(chǎn)業(yè)化有較大的差距。SiC JBS二極管和MOSFET晶體管由于其性能優(yōu)越，成為目前應(yīng)用廣泛、產(chǎn)業(yè)化成熟度高的碳化硅功率器件。
隨著國際上碳化硅功率器件技術(shù)的進步和制造工藝從4英寸升級到6英寸，器件產(chǎn)業(yè)化水平不斷提高，碳化硅功率器件的成本迅速下降。全球碳化硅功率器件市場的發(fā)展趨勢。2017年全球碳化硅功率器件（主要是SiC JBS和MOSFET）的市場接近17億元人民幣。Yole公司預(yù)測，2017~2020年，碳化硅器件的復(fù)合年均增長率超過28 %，到2020年市場規(guī)模達到35億元人民幣，并以超過40 %的復(fù)合年均增長率繼續(xù)快速增長。預(yù)計到2025年，全球碳化硅功率器件市場規(guī)模將超過150億元人民幣，到2030年，全球碳化硅功率器件市場規(guī)模將超過500億元人民幣。國內(nèi)碳化硅器件的市場約占國際市場的40 %~50 %。
目前，國際上主要的碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)化公司有美國Wolfspeed、德國Infineon、日本Rohm、歐洲的意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）、日本三菱（Mitsubishi），這幾家大公司約占國際市場的90 %，另外，美國通用電氣（GE）、日本豐田（Toyota）、日本富士（Fuji）、日本東芝（Toshiba）、MicroSemi、USCi、GeneSiC等公司也開發(fā)了碳化硅功率器件產(chǎn)品。在SiC二極管產(chǎn)品方面，美國Wolfspeed（包括Cree）、德國Infineon公司已經(jīng)推出了五代 SiC JBS產(chǎn)品；其中Wolfspeed的第四代及以前的產(chǎn)品為平面型，第五代為溝槽型，并且在第五代650 V器件中采用了晶圓減薄工藝將碳化硅晶圓由370 μm減薄180 μm，進一步提高了器件的性能。Rohm公司開發(fā)了三代SiC二極管，新產(chǎn)品也采用了溝槽型結(jié)構(gòu)。Infineon公司的前四代SiC二極管以600 V、650 V產(chǎn)品為主，從第五代開始推出1200 V產(chǎn)品，即將推出第六代低開啟電壓的SiC JBS產(chǎn)品。在MOSFET器件方面，Wolfspeed公司推出600 V、1200 V和1700 V共三個電壓等級、幾十款平面柵MOSFET器件產(chǎn)品，電流從1 A～50 A不等；2017年3月，美國Wolfspeed公司發(fā)布了900 V/150 A的SiC MOSFET芯片，是目前單芯片電流容量大的SiC MOSFET產(chǎn)品；Rohm公司的SiC MOSFET產(chǎn)品有平面柵和溝槽柵兩類，電壓等級有650 V和1200 V；意法半導(dǎo)體開發(fā)了650 V和1200 V兩個電壓等級的SiC MOSFET產(chǎn)品，Infineon公司也推出了溝槽柵的1200 V SiC MOSFET產(chǎn)品。另外，GeneSiC公司開發(fā)了1200 V和1700 V的 SiC BJT產(chǎn)品，Infineon和USCi公司開發(fā)了1200 V的SiC JFET產(chǎn)品。在研發(fā)領(lǐng)域，國際上已經(jīng)開發(fā)了10 kV以上的JBS、MOSFET、JFET、GTO等器件樣品，以及20 kV以上的PiN、GTO和IGBT器件樣品，由于受到碳化硅材料缺陷水平、器件設(shè)計技術(shù)、芯片制造工藝、器件封裝驅(qū)動技術(shù)以及市場需求的制約，以上高壓器件短期內(nèi)無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
“十二五”初期，我國掀起了研發(fā)第三代功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的熱潮；“十三五”期間，我國掀起了第三代功率半導(dǎo)體材料和器件產(chǎn)業(yè)化的浪潮。當(dāng)前，我國的碳化硅功率器件產(chǎn)品以二極管產(chǎn)品為主，若干單位具備開發(fā)晶體管產(chǎn)品的能力，尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。在國家科技項目和各級政府的支持下，目前國內(nèi)有多家企業(yè)建成或正在建設(shè)多條碳化硅芯片工藝線，這些工藝線的投產(chǎn)，將會大大提升國內(nèi)碳化硅功率器件的產(chǎn)業(yè)化水平。碳化硅功率模塊
為了進一步提升碳化硅功率器件的電流容量，通常采用模塊封裝的方法把多個芯片進行并聯(lián)集成封裝。碳化硅功率模塊首先是從由硅IGBT芯片和SiC JBS二極管芯片組成的混合功率模塊產(chǎn)品發(fā)展起來的。隨著SiC MOSFET器件的成熟，Wolfspeed、Infineon、三菱、Rohm等公司開發(fā)了由SiC JBS二極管和MOSFET組成的全碳化硅功率模塊。目前國際上的碳化硅功率模塊產(chǎn)品高電壓等級3300 V，大電流700 A，高工作溫度175 ℃。在研發(fā)領(lǐng)域，全碳化硅功率模塊大電流容量達到1200 A，高工作溫度達到250 ℃，并采用芯片雙面焊接、新型互聯(lián)和緊湊型封裝等技術(shù)來提高模塊性能。
基于我國成熟的硅基功率模塊的封裝技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，我國碳化硅功率模塊的產(chǎn)業(yè)化水平緊跟國際先進水平。由于國內(nèi)SiC MOSFET芯片產(chǎn)品尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，我國開發(fā)碳化硅功率模塊產(chǎn)品中的MOSFET芯片全部采用進口芯片。
碳化硅功率半導(dǎo)體的典型應(yīng)用。碳化硅功率器件具有高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等獨特優(yōu)勢，將極大地提高現(xiàn)有能源的轉(zhuǎn)換效率，對高效能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生重大而深遠的影響，主要領(lǐng)域有智能電網(wǎng)、軌道交通、電動汽車、新能源并網(wǎng)、通訊電源等。

碳化硅功率半導(dǎo)體存在的問題

盡管全球碳化硅器件市場已經(jīng)初具規(guī)模，但是碳化硅功率器件領(lǐng)域仍然存在一些諸多共性問題亟待突破，比如碳化硅單晶和外延材料價格居高不下、材料缺陷問題仍未完全解決、碳化硅器件制造工藝難度較高、高壓碳化硅器件工藝不成熟、器件封裝不能滿足高頻高溫應(yīng)用需求等，全球碳化硅技術(shù)和產(chǎn)業(yè)距離成熟尚有一定的差距，在一定程度上制約了碳化硅器件市場擴大的步伐。
1、碳化硅單晶材料
國際上碳化硅單晶材料領(lǐng)域存在的問題主要有：（1）大尺寸碳化硅單晶襯底制備技術(shù)仍不成熟。目前國際上碳化硅芯片的制造已經(jīng)從4英寸換代到6英寸，并已經(jīng)開發(fā)出了8英寸碳化硅單晶樣品，與先進的硅功率半導(dǎo)體器件相比，單晶襯底的尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。
（2）缺乏更高效的碳化硅單晶襯底加工技術(shù)。碳化硅單晶襯底材料線切割工藝存在材料損耗大、效率低等缺點，必須進一步開發(fā)大尺寸碳化硅晶體的切割工藝，提高加工效率。襯底表面加工質(zhì)量的好壞直接決定了外延材料的表面缺陷密度，而大尺寸碳化硅襯底的研磨和拋光工藝仍不能滿足要求，需要進一步開發(fā)研磨、拋光工藝參數(shù)，降低晶圓表面粗糙度。
（3）P型襯底技術(shù)的研發(fā)較為滯后。目前商業(yè)化的碳化硅產(chǎn)品是單極型器件。未來高壓雙極型器件需要P型襯底。目前碳化硅P型單晶襯底缺陷較高、電阻率較高，其基礎(chǔ)科學(xué)問題尚未得到突破，技術(shù)開發(fā)滯后。
近年來，我國碳化硅單晶材料領(lǐng)域取得了長足進步，但與國際水平相比仍存在一定的差距。除了以上共性問題以外，我國碳化硅單晶材料領(lǐng)域在以下兩個方面存在巨大的風(fēng)險：一是本土碳化硅單晶企業(yè)無法為國內(nèi)已經(jīng)/即將投產(chǎn)的6英寸芯片工藝線提供高質(zhì)量的6英寸單晶襯底材料。（2）碳化硅材料的檢測設(shè)備完全被國外公司所壟斷。
2. 碳化硅外延材料
國際上碳化硅外延材料領(lǐng)域存在的問題主要有：
（1）N型碳化硅外延生長技術(shù)有待進一步提高。目前外延材料生長過程中氣流和溫度控制等技術(shù)仍不完善，在6英寸碳化硅單晶襯底上生長高均勻性的外延材料技術(shù)仍有一定挑戰(zhàn)，一定程度影響了中低壓碳化硅芯片良率的提高。
（2）P型碳化硅外延技術(shù)仍不成熟。高壓碳化硅功率器件是雙極型器件，對P型重摻雜外延材料提出了要求，目前尚無滿足需求的低缺陷、重摻雜的P型碳化硅外延材料。
近年來我國碳化硅外延材料技術(shù)獲得了長足進展，申請了一系列的專利，正在縮小與其它國家的差距，已經(jīng)開始批量采用本土4英寸單晶襯底材料，產(chǎn)品已經(jīng)打入國際市場。但是，以下兩個方面存在巨大的風(fēng)險：一是目前國內(nèi)碳化硅外延材料產(chǎn)品以4英寸為主，由于受單晶襯底材料的局限，尚無法批量供貨6英寸產(chǎn)品。二是碳化硅外延材料加工設(shè)備全部進口，將制約我國獨立自主產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。
3. 碳化硅功率器件
雖然國際上碳化硅器件技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化水平發(fā)展迅速，開始了小范圍替代硅基二極管和IGBT的市場化進程，但是碳化硅功率器件的市場優(yōu)勢尚未完全形成，尚不能撼動目前硅功率半導(dǎo)體器件市場上的主體地位。國際碳化硅器件領(lǐng)域存在的問題主要有：
（1）碳化硅單晶及外延技術(shù)還不夠完善，高質(zhì)量的厚外延技術(shù)不成熟，這使得制造高壓碳化硅器件非常困難，而外延層的缺陷密度又制約了碳化硅功率器件向大容量方向發(fā)展。
（2）碳化硅器件工藝技術(shù)水平還比較低，這是制約碳化硅功率器件發(fā)展和推廣實現(xiàn)的技術(shù)瓶頸，特別是高溫大劑量高能離子注入工藝、超高溫退火工藝、深槽刻蝕工藝和高質(zhì)量氧化層生長工藝尚不理想，使得碳化硅功率器件中存在不同程度的高溫和長期工作條件下可靠性低的缺陷。
（3）在碳化硅功率器件的可靠性驗證方面，其試驗標(biāo)準(zhǔn)和評價方法基本沿用硅器件，尚未有專門針對碳化硅功率器件特點的可靠性試驗標(biāo)準(zhǔn)和評價方法，導(dǎo)致試驗情況與實際使用的可靠性有差距。
（4）在碳化硅功率器件測試方面，碳化硅器件測試設(shè)備、測試方法和測試標(biāo)準(zhǔn)基本沿用硅器件的測試方法，導(dǎo)致碳化硅器件動態(tài)特性、安全工作區(qū)等測試結(jié)果不夠準(zhǔn)確，缺乏統(tǒng)一的測試評價標(biāo)準(zhǔn)。
除了以上共性問題外，我國碳化硅功率器件領(lǐng)域發(fā)展還存在研發(fā)時間短，技術(shù)儲備不足，進行碳化硅功率器件研發(fā)的科研單位較少，研發(fā)團隊的技術(shù)水平跟國外還有一定的差距等問題，特別是在以下三個方面差距巨大：一是在SiC MOSFET器件方面的研發(fā)進展緩慢，只有少數(shù)單位具備獨立的研發(fā)能力，存在一定程度上依賴國際代工企業(yè)來制造芯片的弊病，容易受制于人，產(chǎn)業(yè)化水平不容樂觀。二是碳化硅芯片主要的工藝設(shè)備基本上被國外公司所壟斷，特別是高溫離子注入設(shè)備、超高溫退火設(shè)備和高質(zhì)量氧化層生長設(shè)備等，國內(nèi)大規(guī)模建立碳化硅工藝線所采用的關(guān)鍵設(shè)備基本需要進口。三是碳化硅器件高端檢測設(shè)備被國外所壟斷。
4. 碳化硅功率模塊
當(dāng)前碳化硅功率模塊主要有引線鍵合型和平面封裝型兩種。為了充分發(fā)揮碳化硅功率器件的高溫、高頻優(yōu)勢，必須不斷降低功率模塊的寄生電感、降低互連層熱阻，并提高芯片在高溫下的穩(wěn)定運行能力。目前碳化硅功率模塊存在的主要問題有：
（1）采用多芯片并聯(lián)的碳化硅功率模塊，由于結(jié)電容小、開關(guān)速度高，因此在開關(guān)過程中會出現(xiàn)極高的電流上升率（di/dt）和電壓上升率（dv/dt），在這種情況下會產(chǎn)生較嚴(yán)重的電磁干擾和額外損耗，無法發(fā)揮碳化硅器件的優(yōu)良性能。
（2）碳化硅功率模塊的封裝工藝和封裝材料基本沿用了硅功率模塊的成熟技術(shù)，在焊接、引線、基板、散熱等方面的創(chuàng)新不足，功率模塊雜散參數(shù)較大，可靠性不高。
（3）碳化硅功率高溫封裝技術(shù)發(fā)展滯后。目前碳化硅器件高溫、高功率密度封裝的工藝及材料尚不完全成熟。為了發(fā)揮碳化硅功率器件的高溫優(yōu)勢，必須進一步研發(fā)先進燒結(jié)材料和工藝，在高溫、高可靠封裝材料及互連技術(shù)等方面實現(xiàn)整體突破。
5. 碳化硅功率半導(dǎo)體的應(yīng)用
盡管碳化硅功率器件應(yīng)用前景廣闊，但是目前受限于價格過高等因素，迄今為止，市場規(guī)模并不大，應(yīng)用范圍并不廣，主要集中于光伏、電源等領(lǐng)域。目前碳化硅器件應(yīng)用存在的主要問題有：（1）碳化硅功率器件的驅(qū)動技術(shù)尚不成熟。為了充分發(fā)揮碳化硅功率器件的高頻、高溫特性，要求其驅(qū)動芯片具有工作溫度高、驅(qū)動電流大和可靠性高的特點。目前驅(qū)動芯片沿用硅器件的驅(qū)動技術(shù)，尚不能滿足要求。（2）碳化硅功率器件的保護技術(shù)尚不完善。碳化硅功率器件具有開關(guān)頻率快、短路時間短等特點，目前器件保護技術(shù)尚不能滿足需求。（3）碳化硅器件的電路應(yīng)用開關(guān)模型尚不能全面反映碳化硅功率器件的開關(guān)特性，尚不能對碳化硅器件的電路拓撲仿真設(shè)計提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。（4）碳化硅功率器件應(yīng)用中的電磁兼容問題尚未完全解決。（5）碳化硅功率器件應(yīng)用的電路拓撲尚不夠優(yōu)化。目前碳化硅功率器件的應(yīng)用電路拓撲基本上沿用硅器件的電路拓撲，沒有開發(fā)出完全發(fā)揮碳化硅功率器件優(yōu)勢的新型電路拓撲結(jié)構(gòu)。
碳化硅是典型的實用寬禁帶半導(dǎo)體材料之之一，跟硅和砷化鎵一樣具有典型的半導(dǎo)體特性，被人們稱為繼硅和砷化鎵之后的“第三代半導(dǎo)體”，尤其在制造電力電子器件方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，在半導(dǎo)體已深得人心的一個很長時期內(nèi)，很多人對碳化硅的了解，還僅限于它的高硬度、耐磨和耐高溫特性，因而其實用價值在過去的長時期內(nèi)主要是作為研磨材料應(yīng)用于機械加工和作為耐火材料應(yīng)用于金屬冶煉。
 
雖然碳化硅作為半導(dǎo)體材料的應(yīng)用比硅和砷化鎵幾乎晚了半個世紀(jì)，但早在1824年，瑞典科學(xué)家J.J. Berzelius(1779-1848)在人工合成金剛石的過程中就已經(jīng)觀察到了它的存在。不過，由于自然界中天然碳化硅晶體極少，人工合成又極困難，人們在那個年代對其不可能有太多了解。直到E.G. Acheson(1856-1931)發(fā)明了碳化物晶體的人工制造技術(shù)之后，人們才開始對其逐漸有所認識。
 
高飽和電子遷移率(Si的2.5倍)以及高健合能等優(yōu)點，這就使得碳化硅材料可以很好地適用于高性能(高頻、高溫、高功率、抗輻射)電子器件。高的熱導(dǎo)率有利于大功率器件的熱耗散和高密度集成高的載流子飽和遷移速率可以使之應(yīng)用于高速開關(guān)器件；高的臨界位移能使碳化硅器件的抗輻射性能優(yōu)于Si器件。
 
由于碳化硅材料的帶隙很寬(4H型碳化硅在室溫下約為3.26eV)，碳化硅器件能夠在很高的溫度下工作而不于因為本征載流子激發(fā)導(dǎo)致器件性能失效。碳化硅材料在發(fā)生雪崩擊穿前所能夠忍受的極限電場是硅材料和砷化鎵(GaAs)的5~20倍12。這一高極限電場可以用來制造高壓、大功率器件。
 
碳化硅材料具有很高的臨界位移能約為45~90eV。這使得碳化硅材料具有很高的抗輻射能力和抗電磁波沖擊(EMP：ElectroMagnetic Pluse)能力。
表1 室溫下幾種半導(dǎo)體材料特性的比較  
表1列出了碳化硅與主要半導(dǎo)體材料在室溫下的材料參數(shù)。從表中可以看出碳化硅與砷化鎵相對硅具有更優(yōu)良的特性，因此這兩種材料能夠制作高溫高壓大功率器件。在寬禁帶半導(dǎo)體材料中，碳化硅是有希望首先取得突破，因為SIC是除了Si以外能夠熱氧化生長Sio2的半導(dǎo)體，而且SIC器件工藝和設(shè)備都與Si器件有很強的兼容性。碳化硅高的臨界擊穿電場使其漂移區(qū)的電阻減少200倍，從而使高壓器件的導(dǎo)通電壓比目前所有的硅功率器件(IGBT、SBD、PiN)都小得多。
 
然而難以獲得高質(zhì)量的碳化硅襯底一直是阻礙這一領(lǐng)域發(fā)展的主要難題。隨著1978年的大面積碳化硅籽晶生長法的出現(xiàn)以及隨后碳化硅薄膜制備技術(shù)的完備，碳化硅材料得到了進一步的發(fā)展。隨著碳化硅材料制造工藝的進一步發(fā)展，以及制造成本的不斷下降，碳化硅材料將在高溫、高頻、光電子、抗輻射等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景，如表2。