本文介紹了半導體材料碳化硅的性能、碳化硅單晶生長以及高純碳化硅粉體的合成方式。

在科技飛速發展的今天，半導體材料領域正經歷著一場深刻的變革。第三代寬禁帶半導體材料碳化硅（SiC），憑借其卓越的物理特性，在眾多高科技應用中嶄露頭角，備受全球矚目。

特性卓越，應用廣泛

SiC之所以能在半導體舞臺上大放異彩，首先得益于其出色的寬帶隙特性。其寬帶隙范圍在2.3-3.3eV之間，這一特性使其成為制造高頻、大功率電子器件的理想之選。就像為電子信號搭建了一條寬闊的高速公路，能夠讓高頻信號順暢通行，為實現更高效、更快速的數據處理和傳輸提供了堅實的基礎。 高熱導率也是SiC的一大亮點，其熱導率可達3.6-4.8W·cm-1·K-1。這意味著它能夠迅速將熱量散發出去，如同給電子器件安裝了一個高效的散熱“引擎”，使其在抗輻射、抗腐蝕的電子器件應用中表現卓越。無論是在太空探索中面臨宇宙射線輻射的考驗，還是在惡劣工業環境下抵御腐蝕的侵蝕，SiC都能堅守崗位，穩定運行。 此外，SiC還擁有高載流子飽和遷移率，為1.9-2.6×107cm·s-1。這一特性進一步拓展了其在半導體領域的應用潛力，為提升電子器件的性能提供了有力支持，讓電子在其中能夠快速且高效地移動，從而實現更強大的功能。

歷史的發展與演進

回顧SiC晶體材料的發展歷程，猶如翻開一部科技進步的史書。早在1892年，Acheson就發明了用二氧化硅和碳合成SiC粉體的方法，為SiC材料的研究開啟了大門。然而，當時制得的SiC材料純度有限，尺寸也較小，如同一個尚在襁褓中的嬰兒，雖有無限潛力，但還需不斷成長與完善。 時間來到1955年，Lely通過升華技術成功生長出相對純凈的SiC晶體，這無疑是SiC發展史上的一個重要里程碑。但可惜的是，該方法得到的SiC片狀材料尺寸小，性能差異大，就像一群參差不齊的士兵，難以在高端應用領域形成強大的戰斗力。 直到1978-1981年，Tairov和Tsvetkov在Lely法基礎上引入籽晶，精心設計溫度梯度以控制物質運輸，也就是我們現在所說的改進的Lely法或籽晶升華法（PVT法）。這一創新舉措，為SiC晶體的生長帶來了新的曙光，使得SiC晶體的質量和尺寸控制有了顯著的提升，為后續SiC在更多領域的應用奠定了堅實的基礎。

單晶生長的核心要素

在SiC單晶的生長過程中，SiC粉體的質量起著決定性的作用。當使用β-SiC粉體生長SiC單晶時，會發生向α-SiC的相轉變，這一過程會影響氣相組分中的Si/C摩爾比，就像一場微妙的化學平衡舞蹈，一旦失衡，就會對晶體生長產生不利影響，如同在建造高樓大廈時，基礎結構的不穩定會導致整座建筑的搖搖欲墜。 而且，單晶中大部分雜質都來源于SiC粉體，它們之間存在著緊密的線性關系。也就是說，粉體的純度越高，單晶的質量就越好。因此，制備高純度的SiC粉體成為了合成高質量SiC單晶的關鍵所在，這就要求我們在粉體合成過程中，必須嚴格控制雜質含量，確保每一個“原料分子”都符合高標準。

高純SiC粉體合成方法

目前，合成高純SiC粉體主要有氣相法、液相法和固相法三種途徑。 氣相法通過巧妙控制氣源中的雜質含量來獲取高純SiC粉體，其中包括CVD法和等離子體法。CVD法利用高溫反應的魔法，能夠得到超細、高純的SiC粉體。例如，Huang等以(CH3)2SiCl2作為原料，在1100-1400℃的高溫“熔爐”中，成功制備出純度高、含氧量低的納米碳化硅粉體，如同在微觀世界里精心雕琢出一件件精美的藝術品。等離子體法則借助高能電子碰撞的力量，實現高純SiC粉體的合成。像Lin等采用微波等離子體法，將四甲基硅烷(TMS)作為反應氣體，在高能電子的“沖擊”下，合成出高純的SiC粉體。不過，氣相法雖然純度高，但成本高昂且合成速率低，就像一位技藝精湛但收費昂貴且工作效率不高的工匠，難以滿足大批量生產的需求。 液相法中，溶膠-凝膠法獨樹一幟，可以合成高純的SiC粉體。宋永才等以工業硅溶膠和水溶性酚醛樹脂為原料，在高溫下進行碳熱還原反應，最終得到SiC粉體。但液相法同樣面臨成本高、合成過程復雜的問題，如同一條布滿荊棘的道路，雖然能通向目標，但前行的代價和難度都較大，不太適合工業化大規模生產。 固相法中的改進的自蔓延高溫合成法，是當前使用范圍最廣、合成工藝最為成熟的SiC粉體制備方法。例如Jung等使用非晶炭黑和C粉作為原料，在高純Ar氣氛下高溫合成高純β-SiC粉體。它的優勢在于過程簡單、合成效率高，就像一位勤勞樸實的農夫，雖然干活麻利，但也存在一些不足，比如活化劑可能會引入雜質，并且需要提高反應溫度和持續加熱，這就像是在豐收的道路上，還需要克服一些小障礙才能收獲更優質的成果。