中國粉體網訊 第三代半導體又稱寬禁帶半導體，主要包括以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體材料。相較于以硅(Si)、鍺元素(Ge)代表的第一代和以砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)為代表的第二代半導體材料，具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點和優勢，被廣泛應用于新能源汽車、軌道交通、智能電網、新一代移動通信、消費類電子等領域，被視為支撐能源、交通、信息、國防等產業發展的核心技術。

      據中國粉體網了解，作為“隱形基石”的高純石墨制品，在第三代半導體單晶生長中應用非常廣泛，主要用于SiC單晶生長爐石墨坩堝和石墨加熱器，還普遍用于GaN外延生長石墨基座和抗高溫燒蝕涂層石墨基座等。

      以第三代半導體SiC單晶生長為例，SiC晶體生長技術主要包括物*相傳輸（PVT）法、液相外延（LPE）技術及高溫化學氣相沉積（HTCVD）法。其中，PVT法因生長質量高、可控性好而得到廣泛應用。在PVT生長SiC晶體過程中，通常以SiC粉料為原料，在高溫（通常超過2000℃）和低壓（接近真空或惰性氣氛）條件下發生分解，生成多種氣相物質，經輸運后在石墨坩堝頂部的籽晶表面反應并結晶。

      PVT法生長碳化硅單晶裝置示意圖

      石墨坩堝作為承載原材料和傳輸熱量的關鍵部件，其性能直接影響SiC晶體的生長質量和效率及成本。SiC晶體生長過程是在等靜壓石墨材料制作成的坩堝中進行，分壓較高的Si蒸氣反應活性強，易與石墨坩堝側壁發生反應。在生長初期，石墨坩堝表面緊實致密，而生長一段時間（如20h）后，坩堝內表面出現粉化，石墨粉易脫落。石墨粉的產生會在晶體中引入碳包裹物，進而在晶體中形成微管等缺陷。

      針對碳化硅晶體生長過程中石墨坩堝腐蝕呈現的復雜機制問題，比亞迪的工程師系統分析了PVT法生長條件下SiC粉料熱分解行為、硅蒸氣與石墨坩堝的界面反應動力學特征，以及不同孔隙結構的等靜壓石墨在1800℃硅蒸氣環境中的滲透行為差異。

      通過電子探針顯微分析儀（EPMA）和拉曼光譜表征手段，工程師揭示了孔隙率、孔徑分布與硅蒸氣滲透深度之間的關系，證實了孔隙結構、界面結合強度是影響腐蝕的關鍵因素，并提出減少石墨坩堝腐蝕的策略，即采用細顆粒原料制備高密度、高石墨化度坩堝材料；建立準平衡態生長溫度場調控模型；設計多孔排氣通道結構；開發碳化鉭涂層技術。

      除了在以上的晶體生長系統中，高純石墨材料在溫度控制系統中也有重要應用。溫度控制系統采用感應加熱方式時，工作頻率一般為10～100kHz，感應線圈內部為雙層石英管，用來通冷卻水；在坩堝外圍包裹一層保溫材料，一般為石墨氈。采用電阻加熱方式時一般選用石墨發熱體，發熱體產生焦耳熱，通過熱輻射將熱量傳遞給石墨坩堝，再通過熱傳導傳遞給粉源使其受熱升華。

      電阻法長晶爐結構

      除了石墨坩堝、石墨加熱器等高純石墨制品在第三代半導體生產過程中發揮著基礎性的重要作用，中電科的一位工程師還提到第三代半導體SiC合成用超高純石墨粉。目前，第三代半導體SiC合成用超高純石墨粉提純技術主要分為化學法和物理法兩大類。化學提純方法包括堿酸法、氫氟酸法和氯化焙燒法等，物理提純技術如浮選法和高溫提純法等。

      隨著半導體行業的迅猛發展，一種結合了物理與化學提純優勢的新技術———物化提純法應運而生。該方法在真空環境下對石墨粉進行高溫加熱，通過提高真空度使雜質在達到其飽和蒸氣壓后揮發出去，同時利用鹵素氣體將難揮發的氧化物轉變為低沸點的鹵化物，從而實現*提純。

      據專家介紹，這種物化提純法用于第三代半導體碳化硅用石墨制品提純時，其石墨制品的純度可以穩定地達到99.9995%-99.9999%并且通過對工藝參數中的工藝氣體、爐壓和溫度的選擇，可以定向去除高純石墨制品中B和Al元素，能夠滿足第三代半導體碳化硅用高純石墨制品的純度要求。

      中國粉體網從專家處獲悉，雖然我國是石墨資源大國，也是全球天然石墨的*大供應國，但是我國石墨材料加工技術落后于發達國家，大量出口初級產品，而高純石墨材料則大量進口。目前我國第三代半導體碳化硅晶體生長企業所用的高純石墨制品和超高純石墨粉主要由外國企業提供。擺脫進口依賴，趕超發達國家水平，我們任重道遠。

      參考來源：

      [1]王軍：PVT法生長碳化硅晶體中的石墨坩堝腐蝕機制研究，比亞迪汽車工業有限公司

      [2]楊靜等：第三代半導體SiC合成用超高純石墨粉高溫純化裝備及工藝研究，山西中電科電子裝備有限公司

      [3]龍振等：第三代半導體生產應用“四高兩涂”碳基材料的技術現狀，南昌大學

      [4]吳忠舉等：物化提純法提純SiC用高純石墨制品技術研究，山西中電科新能源技術有限公司

      [5]粉體大數據研究：中國碳化硅襯底產業發展研究報告（2023～2026）

      （中國粉體網編輯整理/平安）
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