碳化硅是宽禁带半导体材料，又被称为第三代半导体。近年来，随着碳化硅器件在电动车行业的大规模应用，碳化硅器件市场规模迅速扩大。预计到2027年，市场规模将超过100亿美元，复合增速达40％。然而碳化硅产业的源头和支撑——单晶材料的产能十分有限，价格居高不下，导致整体市场无法大规模普及。
目前国际上通用的碳化硅单晶生长方法有PVT法（物理气相沉积法）和HTCVD法（高温化学气相沉积法）。但由于PVT法本身的局限性，如无法连续生长、晶体质量不易控制、生长速度较慢等，HTCVD法逐渐被市场重视。
上个世纪90年代，瑞典林雪平大学（Linkoping University）IFM系（化学物理生物系）的科研团队发明了HTCVD法制备碳化硅晶体。90年代末，该课题组部分成员成立瑞典Norstel公司，将其研究成果转化并在生产中不断改进，随着市场的激增原材料供不应求欧洲的意法半导体（STMicroelectronics）集团将其收购。此外，日本的丰田（TOYOTA）集团、电装（DENSO）集团等规模化使用HTCVD法制备碳化硅晶体。
HTCVD法是指在2000℃~2500℃的高温下，通过导入高纯度的硅烷（silane）、乙烷（ethane）或丙烷（propane）、氢气（H2）等气体，先在高温区生长腔进行反应，形成碳化硅前驱物，再经由气体带动进入低温区的籽晶端前沉积形成碳化硅晶体的方法。相比于PVT法生长碳化硅晶体，HTCVD法生长碳化硅晶体有以下几个优点：
1、可持续生长
PVT法使用碳化硅固体原料，其填充有限因此生长的晶体长度受限。HTCVD法可持续向炉腔供应气体源料，进而实现晶体持续生长。
2、纯度高
碳化硅衬底中的B、Al、V、Ti杂质对下游器件性能影响较大。PVT法使用固体原料，杂质种类较多，且不易完全去除。HTCVD法使用的原料是高纯气体，杂质相对较少。两种方法生长的碳化硅晶体杂质成分对比可知，HTCVD法生长的晶体杂质含量比PVT法生长的晶体的低1~3个数量级。
图1 PVT 法和HTCVD法生长的碳化硅晶体杂质成分对比(数据源自日本电装集团)
3、质量优
PVT法在固态碳化硅粉料加热过程中，由于原料的非一致升华，导致在气相组分中硅原子数远远大于碳原子数，高非化学计量比导致硅和碳相分离，硅在气相中聚集，碳在固相中聚集。从理论上而言，保持硅/碳比例在生长界面附近为1:1是最理想状态，但在实际生长过程中很难实现。因此，晶体缺陷需要更多的技术手段去控制，仍不能达到一个较高的良率。
HTCVD法原料是气体，直接在籽晶表面发生化学反应生成晶体，能够有效通过气体的流量来控制生长过程的硅/碳比例，降低因偏离剂量比所造成的晶体缺陷，同时也能够有效控制掺杂量、晶型等，制备的n型或p型碳化硅晶体缺陷较少。
4、生长速率高
制约碳化硅衬底行业成本的一个较大因素是生长速率低，PVT法生长碳化硅晶体的速率通常只有几十到几百个微米每小时，这严重制约了产能。为了满足市场需求，需要布局成千上万台单晶炉。HTCVD法基于本身的高温和气体原料的因素，可以实现晶体高速生长。根据日本可见公开报道，HTCVD法晶体生长速率目前最快可达9.2毫米每小时，是PVT法生长速率的2~3个数量级。不仅可以极大的缩短生产周期降低时间成本，也可以减少单晶炉的固定资产投入。
5、成本低
由于HTCVD法不需要粉料合成、预处理等工序，气体原料成本低，生长速率快周期短产能高，设备投入综合成本低，因此可以大幅降低碳化硅晶片的生产成本。
江苏超芯星半导体有限公司在国内率先推出HTCVD法碳化硅单晶生长炉，将有助于提高碳化硅单晶衬底片质量、加大碳化硅衬底片供应力度、降低碳化硅衬底片成本，推动器件更新换代以及半导体产业整体升级，早日打破国际技术壁垒，实现第三代半导体国产化。
