碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物，莫桑石。碳化硅又稱碳硅石。在當(dāng)代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中，碳化硅為應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟的一種?？梢苑Q為金鋼砂或耐火砂。
一、碳化硅的前世今生
碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，例如：以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機葉輪或汽缸體的內(nèi)壁，可提高其耐磨性而延長使用壽命1～2倍；用以制成的高級耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強度高，節(jié)能效果好。低品級碳化硅（含SiC約85%）是極好的脫氧劑，用它可加快煉鋼速度，并便于控制化學(xué)成分，提高鋼的質(zhì)量。此外，碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。
碳化硅的硬度很大，莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石（10級），具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是一種半導(dǎo)體，高溫時能抗氧化。
碳化硅歷程表
| 1905年 |
第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅 |
| 1907年 |
第一只碳化硅晶體發(fā)光二極管誕生 |
| 1955年 |
理論和技術(shù)上重大突破，LELY提出生長高品質(zhì)碳化概念，從此將SiC作為重要的電子材料 |
| 1958年 |
在波士頓召開第一次世界碳化硅會議進行學(xué)術(shù)交流 |
| 1978年 |
六、七十年代碳化硅主要由前蘇聯(lián)進行研究。到1978年首次采用“LELY改進技術(shù)”的晶粒提純生長方法 |
| 1987年～至今 |
以CREE的研究成果建立碳化硅生產(chǎn)線，供應(yīng)商開始提供商品化的碳化硅基。 |
二、碳化硅器件的優(yōu)勢特性
碳化硅（SiC）是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，世界各國對SiC的研究非常重視，紛紛投入大量的人力物力積極發(fā)展，美國、歐洲、日本等不僅從國家層面上制定了相應(yīng)的研究規(guī)劃，而且一些國際電子業(yè)巨頭也都投入巨資發(fā)展碳化硅半導(dǎo)體器件。
與普通硅相比，采用碳化硅的元器件有如下特性：
高壓特性：
碳化硅器件是同等硅器件耐壓的10倍
碳化硅肖特基管耐壓可達2400V。
碳化硅場效應(yīng)管耐壓可達數(shù)萬伏，且通態(tài)電阻并不很大。
高頻特性：
高溫特性：
在Si材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對于以往的Si材質(zhì)器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵。
目前，低功耗的碳化硅器件已經(jīng)從實驗室進入了實用器件生產(chǎn)階段。目前碳化硅圓片的價格還較高，其缺陷也多。通過不斷的研究開發(fā)，預(yù)計到2010年前后，碳化硅器件將主宰功率器件的市場。但實際上并非如此。
三、目前碳化硅器件發(fā)展情況如何？
1、技術(shù)參數(shù)：舉例來說，肖特基二極管電壓由250伏提高到1000伏以上，芯片面積小了，但電流只有幾十安。工作溫度提高到180℃，離介紹能達600℃相差很遠。壓降更不盡人意，與硅材料沒有差別，高的正向壓降要達到2V。
2、市場價格：約為硅材料制造的5到6倍。
四、碳化硅（SiC）器件發(fā)展中的難題在哪里？
碳化硅器件發(fā)展中的難題不在芯片的原理設(shè)計，特別是芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計解決好并不難。難在實現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)的制作工藝。
舉例如下：
1、碳化硅晶片的微管缺陷密度。
2、外延工藝效率低。
3、摻雜工藝有特殊要求。
4、歐姆接觸的制作。
5、配套材料的耐溫。
以上僅舉數(shù)例，不是全部。還有很多工藝問題還沒有理想的解決辦法，如碳化硅半導(dǎo)體表面挖槽工藝、終端鈍化工藝、柵氧層的界面態(tài)對碳化硅MOSFET器件的長期穩(wěn)定性影響方面，行業(yè)中還有沒有達成一致的結(jié)論等，大大阻礙了碳化硅功率器件的快速發(fā)展。
五、碳化硅主要應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展概況
目前，第3代半導(dǎo)體材料正在引起清潔能源和新一代電子信息技術(shù)的革命，無論是照明、家用電器、消費電子設(shè)備、新能源汽車、智能電網(wǎng)、還是軍工用品，都對這種高性能的半導(dǎo)體材料有著極大的需求。根據(jù)第3代半導(dǎo)體的發(fā)展情況，其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領(lǐng)域。
1、半導(dǎo)體照明
在4個應(yīng)用領(lǐng)域中，半導(dǎo)體照明行業(yè)發(fā)展最為迅速，已形成百億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。
2、電力電子器件
在電力電子領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用剛剛起步，市場規(guī)模僅為幾億美元。其應(yīng)用主要集中在軍事尖端裝備領(lǐng)域，正逐步向民用領(lǐng)域拓展。
3、激光器和探測器
在激光器和探測器應(yīng)用領(lǐng)域，GaN基激光器可以覆蓋到很寬的頻譜范圍，實現(xiàn)藍、綠、紫外激光器和紫外探測的制造。
4、其他應(yīng)用
在前沿研究領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體可用于太陽能電池、生物傳感器、水制氫媒介、及其他一些新興應(yīng)用，目前這些熱點領(lǐng)域還處于實驗室研發(fā)階段。
資料來源：北京新材料發(fā)展中心
獨家編輯整理：中國粉體技術(shù)網(wǎng)（轉(zhuǎn)載請聯(lián)系授權(quán)，未經(jīng)允許禁止轉(zhuǎn)載，摘錄，鏡像等操作）
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（粉體技術(shù)網(wǎng)）
|
