中國粉體網(wǎng)訊  SiC具有寬帶隙、高臨界擊穿場強(qiáng)、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和遷移率等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于制造高頻、大功率、抗輻射、抗腐蝕的電子器件，是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域中較有前景的材料之一。

碳化硅的物理化學(xué)性能

SiC晶體材料的發(fā)展歷史已有一百多年，隨著生長工藝的不斷改進(jìn)，人們通過多種方法可以獲得更大直徑和較低擴(kuò)展缺陷密度的SiC晶體。其中，SiC 粉體作為合成原料會直接影響SiC單晶的生長質(zhì)量和電學(xué)性質(zhì)，制備高純的SiC粉體成為晶體生長的關(guān)鍵。

高純SiC粉體合成方法

生長SiC晶體用的SiC粉體純度要求：粒徑約為300~500μm，純度在99.95%~99.9999%之間。在眾多SiC粉合成方法中，氣相法通過控制氣源中的雜質(zhì)含量可以獲得純度較高的SiC粉體; 液相法中只有溶膠-凝膠法可以合成純度滿足單晶生長需要的SiC粉體；固相法中的改進(jìn)自蔓延高溫合成法是目前使用范圍最廣，合成工藝最成熟的SiC粉體的制備方法。

CVD法

CVD法合成SiC粉體的Si源一般包括硅烷和四氯化硅等，C源一般選用四氯化碳、甲烷、乙烯、乙炔和丙烷等，而二甲基二氯硅烷和四甲基硅烷等可以同時(shí)提供Si源和C源。

采用CVD法，利用有機(jī)氣源合成了高純的SiC粉體，但該方法對有機(jī)氣源以及內(nèi)部石墨件的純度要求非常高，增加了生產(chǎn)成本。另外，合成的粉體為納米級的超細(xì)粉體，不易收集，同時(shí)合成速率較低，目前無法用于生產(chǎn)大批量的高純SiC粉體。

溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法合成的碳化硅粉體最早用于燒結(jié)碳化硅陶瓷，隨著工藝的不斷改善，合成粉體的純度也不斷提升，目前溶膠-凝膠法制備的SiC粉體已經(jīng)可以用于單晶的生長。其制備過程是將無機(jī)鹽或醇鹽溶于溶劑( 水或醇) 中形成均勻溶液，得到均勻的溶膠，經(jīng)過干燥或脫水轉(zhuǎn)化成凝膠，再經(jīng)過熱處理得到所需要的超細(xì)粉體。

實(shí)驗(yàn)研究表明，溶膠-凝膠法可以制備高純度、超細(xì)SiC粉體，但是制備成本較高，合成過程復(fù)雜，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

自蔓延高溫合成法

自蔓延高溫合成法屬于固相合成法，該方法是在外加熱源的條件下，通過添加活化劑使反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)自發(fā)持續(xù)的進(jìn)行，然而活化劑的添加勢必會引入其他雜質(zhì)，為了保證生成物的純度，研究人員選擇提高反應(yīng)溫度以及持續(xù)加熱的方式來維持反應(yīng)的進(jìn)行，這種方法被稱為改進(jìn)的自蔓延高溫合成法。

改進(jìn)的自蔓延高溫合成法制備過程簡單，合成效率高，在工業(yè)上被廣泛用于生產(chǎn)高純SiC粉體。該方法將固態(tài)的Si源和C源作為原料，使其在1400～2000℃的高溫下持續(xù)反應(yīng)，最后得到高純SiC粉體。

目前，在改進(jìn)的自蔓延合成法中，研究人員通過控制起始Si源和C源中雜質(zhì)含量以及對合成的SiC粉體進(jìn)行提純處理，可以將大部分雜質(zhì)如B、Fe、Al、Cu、P 等控制在1×10^－6以下。

然而，為了制備半絕緣SiC單晶襯底，SiC粉體中N元素的含量也必須盡可能降低，而無論是Si粉還是C粉，都極易吸附空氣中大量的N元素，導(dǎo)致合成的SiC粉體中N元素含量較高，無法滿足半絕緣單晶襯底的使用要求。因此，目前改進(jìn)的自蔓延合成法制備SiC粉體的研究重點(diǎn)在于如何降低SiC粉體中N元素的含量。

中國粉體網(wǎng)將于2024年4月25日在江蘇蘇州舉辦“第三屆半導(dǎo)體行業(yè)用陶瓷材料技術(shù)研討會暨第三代半導(dǎo)體SiC晶體生長技術(shù)交流會”，屆時(shí)，福州大學(xué)洪若瑜教授將帶來題為《高純度碳化硅清潔生產(chǎn)》的報(bào)告。洪教授基于碳化硅粉體的特性、應(yīng)用領(lǐng)域，將詳細(xì)介紹碳化硅粉體的制備方法，并對各種方法進(jìn)行評述。

來源：

羅昊等：碳化硅單晶生長用高純碳化硅粉體的研究進(jìn)展

寬禁帶半導(dǎo)體材料：第三代半導(dǎo)體材料之碳化硅（SiC）

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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