中国粉体网讯  第三代半导体又称宽禁带半导体，主要包括以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料。相较于以硅(Si)、锗元素(Ge)代表的第一代和以砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)为代表的第二代半导体材料，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点和优势，被广泛应用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、新一代移动通信、消费类电子等领域，被视为支撑能源、交通、信息、国防等产业发展的核心技术。

据中国粉体网了解，作为“隐形基石”的高纯石墨制品，在第三代半导体单晶生长中应用非常广泛，主要用于SiC单晶生长炉石墨坩埚和石墨加热器，还普遍用于GaN外延生长石墨基座和抗高温烧蚀涂层石墨基座等。

以第三代半导体SiC单晶生长为例，SiC晶体生长技术主要包括物理气相传输（PVT）法、液相外延（LPE）技术及高温化学气相沉积（HTCVD）法。其中，PVT法因生长质量高、可控性好而得到广泛应用。在PVT生长SiC晶体过程中，通常以SiC粉料为原料，在高温（通常超过2000℃）和低压（接近真空或惰性气氛）条件下发生分解，生成多种气相物质，经输运后在石墨坩埚顶部的籽晶表面反应并结晶。

PVT法生长碳化硅单晶装置示意图

石墨坩埚作为承载原材料和传输热量的关键部件，其性能直接影响SiC晶体的生长质量和效率及成本。SiC晶体生长过程是在等静压石墨材料制作成的坩埚中进行，分压较高的Si蒸气反应活性强，易与石墨坩埚侧壁发生反应。在生长初期，石墨坩埚表面紧实致密，而生长一段时间（如20h）后，坩埚内表面出现粉化，石墨粉易脱落。石墨粉的产生会在晶体中引入碳包裹物，进而在晶体中形成微管等缺陷。

针对碳化硅晶体生长过程中石墨坩埚腐蚀呈现的复杂机制问题，比亚迪的工程师系统分析了PVT法生长条件下SiC粉料热分解行为、硅蒸气与石墨坩埚的界面反应动力学特征，以及不同孔隙结构的等静压石墨在1800℃硅蒸气环境中的渗透行为差异。

通过电子探针显微分析仪（EPMA）和拉曼光谱表征手段，工程师揭示了孔隙率、孔径分布与硅蒸气渗透深度之间的关系，证实了孔隙结构、界面结合强度是影响腐蚀的关键因素，并提出减少石墨坩埚腐蚀的策略，即采用细颗粒原料制备高密度、高石墨化度坩埚材料；建立准平衡态生长温度场调控模型；设计多孔排气通道结构；开发碳化钽涂层技术。

除了在以上的晶体生长系统中，高纯石墨材料在温度控制系统中也有重要应用。温度控制系统采用感应加热方式时，工作频率一般为10～100kHz，感应线圈内部为双层石英管，用来通冷却水；在坩埚外围包裹一层保温材料，一般为石墨毡。采用电阻加热方式时一般选用石墨发热体，发热体产生焦耳热，通过热辐射将热量传递给石墨坩埚，再通过热传导传递给粉源使其受热升华。

电阻法长晶炉结构

除了石墨坩埚、石墨加热器等高纯石墨制品在第三代半导体生产过程中发挥着基础性的重要作用，中电科的一位工程师还提到第三代半导体SiC合成用超高纯石墨粉。目前，第三代半导体SiC合成用超高纯石墨粉提纯技术主要分为化学法和物理法两大类。化学提纯方法包括碱酸法、氢氟酸法和氯化焙烧法等，物理提纯技术如浮选法和高温提纯法等。

随着半导体行业的迅猛发展，一种结合了物理与化学提纯优势的新技术———物化提纯法应运而生。该方法在真空环境下对石墨粉进行高温加热，通过提高真空度使杂质在达到其饱和蒸气压后挥发出去，同时利用卤素气体将难挥发的氧化物转变为低沸点的卤化物，从而实现高效提纯。

据专家介绍，这种物化提纯法用于第三代半导体碳化硅用石墨制品提纯时，其石墨制品的纯度可以稳定地达到99.9995%-99.9999%并且通过对工艺参数中的工艺气体、炉压和温度的选择，可以定向去除高纯石墨制品中B和Al元素，能够满足第三代半导体碳化硅用高纯石墨制品的纯度要求。

中国粉体网从专家处获悉，虽然我国是石墨资源大国，也是全球天然石墨的最大供应国，但是我国石墨材料加工技术落后于发达国家，大量出口初级产品，而高纯石墨材料则大量进口。目前我国第三代半导体碳化硅晶体生长企业所用的高纯石墨制品和超高纯石墨粉主要由外国企业提供。摆脱进口依赖，赶超发达国家水平，我们任重道远。

参考来源：

[1]王军：PVT法生长碳化硅晶体中的石墨坩埚腐蚀机制研究，比亚迪汽车工业有限公司

[2]杨静等：第三代半导体SiC合成用超高纯石墨粉高温纯化装备及工艺研究，山西中电科电子装备有限公司

[3]龙振等：第三代半导体生产应用“四高两涂”碳基材料的技术现状，南昌大学

[4]吴忠举等：物化提纯法提纯SiC用高纯石墨制品技术研究，山西中电科新能源技术有限公司

[5]粉体大数据研究：中国碳化硅衬底产业发展研究报告（2023～2026）

（中国粉体网编辑整理/平安）

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！