409-21-2 / 碳化硅（SiC）緣何成為第三代半導(dǎo)體最重要的材料？

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(jī)葉輪或汽缸體的內(nèi)壁，可提高其耐磨性而延長(zhǎng)使用壽命1～2倍；用以制成的高級(jí)耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強(qiáng)度高，節(jié)能效果好。低品級(jí)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(jí)，僅次于世界上最硬的金剛石（10級(jí)），具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是一種半導(dǎo)體，高溫時(shí)能抗氧化。

二、碳化硅器件的優(yōu)勢(shì)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(guó)對(duì)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(guó)、歐洲、日本等不僅從國(guó)家層面上制定了相應(yīng)的研究規(guī)劃，而且一些國(guó)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：

1、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(dá)2400V。

碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管耐壓可達(dá)數(shù)萬(wàn)伏，且通態(tài)電阻并不很大。

2、高頻特性

3、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(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了實(shí)用器件生產(chǎn)階段。目前碳化硅圓片的價(jià)格還較高,其缺陷也多。

4、碳化硅MOS的優(yōu)勢(shì)

硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時(shí)具備單極型器件的卓越開(kāi)關(guān)性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開(kāi)關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開(kāi)關(guān)損耗和更高的工作頻率。
20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半，50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優(yōu)勢(shì)。

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時(shí)間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件，碳化硅MOSFET寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%。對(duì)于橋式電路來(lái)說(shuō)（特別當(dāng)LLC變換器工作在高于諧振頻率的時(shí)候），這個(gè)指標(biāo)非常關(guān)鍵，它可以減小死區(qū)時(shí)間以及體二極管的反向恢復(fù)帶來(lái)的損耗和噪音，便于提高開(kāi)關(guān)工作頻率。

三、人們是如何評(píng)價(jià)碳化硅的?

幾乎凡能讀到的文章都是這樣介紹碳化硅：

碳化硅的能帶間隔為硅的2.8倍(寬禁帶),達(dá)到3.09電子伏特。其絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)為硅的5.3倍,高達(dá)3.2MV/cm.其導(dǎo)熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二極管及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管,與相同耐壓的硅器件相比,其漂移電阻區(qū)的厚度薄了一個(gè)數(shù)量級(jí)。其雜質(zhì)濃度可為硅的2個(gè)數(shù)量級(jí)。由此,碳化硅器件的單位面積的阻抗僅為硅器件的100分之一。它的漂移電阻幾乎就等于器件的全部電阻。因而碳化硅器件的發(fā)熱量極低。這有助于減少傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗，工作頻率一般也要比硅器件高10倍以上。此外，碳化硅半導(dǎo)體還有的固有的強(qiáng)抗輻射能力。

近年利用碳化硅材料制作的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等功率器件,已可采用少子注入等工藝,使其通態(tài)阻抗減為通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身發(fā)熱量小,因而碳化硅器件的導(dǎo)熱性能極優(yōu)。還有,碳化硅功率器件可在400℃的高溫下正常工作。其可利用體積微小的器件控制很大的電流。工作電壓也高得多。

四、第三代半導(dǎo)體材料

1、碳化硅單晶材料

在寬禁帶半導(dǎo)體材料領(lǐng)域就技術(shù)成熟度而言，碳化硅是這族材料中最高的，是寬禁帶半導(dǎo)體的核心。SiC材料是IV-IV族半導(dǎo)體化合物，具有寬禁帶(Eg：3.2eV)、高擊穿電場(chǎng)(4×106V/cm)、高熱導(dǎo)率(4.9W/cm.k)等特點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上講，SiC材料屬硅碳原子對(duì)密排結(jié)構(gòu)，既可以看成硅原子密排，碳原子占其四面體空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面體空位。對(duì)于碳化硅密排結(jié)構(gòu)，由單向密排方式的不同產(chǎn)生各種不同的晶型,業(yè)已發(fā)現(xiàn)約200種。目前最常見(jiàn)應(yīng)用最廣泛的是4H和6H晶型。4H-SiC特別適用于微電子領(lǐng)域，用于制備高頻、高溫、大功率器件；6H-SiC特別適用于光電子領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)全彩顯示。

隨著SiC技術(shù)的發(fā)展，其電子器件和電路將為系統(tǒng)解決上述挑戰(zhàn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此SiC材料的發(fā)展將直接影響寬禁帶技術(shù)的發(fā)展。

SiC器件和電路具有超強(qiáng)的性能和廣闊的應(yīng)用前景，因此一直受業(yè)界高度重視，基本形成了美國(guó)、歐洲、日本三足鼎立的局面。目前，國(guó)際上實(shí)現(xiàn)碳化硅單晶拋光片商品化的公司主要有美國(guó)的Cree公司、Bandgap公司、DowDcorning公司、II-VI公司、Instrinsic公司；日本的Nippon公司、Sixon公司；芬蘭的Okmetic公司；德國(guó)的SiCrystal公司，等。其中Cree公司和SiCrystal公司的市場(chǎng)占有率超過(guò)85%。在所有的碳化硅制備廠(chǎng)商中以美國(guó)Cree公司最強(qiáng)，其碳化硅單晶材料的技術(shù)水平可代表了國(guó)際水平，專(zhuān)家預(yù)測(cè)在未來(lái)的幾年里Cree公司還將在碳化硅襯底市場(chǎng)上獨(dú)占鰲頭。

2、氮化鎵材料

GaN材料是1928年由Johason等人合成的一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，在大氣壓力下，GaN晶體一般呈六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，它在一個(gè)元胞中有4個(gè)原子，原子體積大約為GaAs的1/2；其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解；在HCl或H2下高溫中呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2下最為穩(wěn)定。GaN材料具有良好的電學(xué)特性，寬帶隙(3.39eV)、高擊穿電壓(3×106V/cm)、高電子遷移率(室溫1000cm2/V·s)、高異質(zhì)結(jié)面電荷密度(1×1013cm-2)等，因而被認(rèn)為是研究短波長(zhǎng)光電子器件以及高溫高頻大功率器件的最優(yōu)選材料，相對(duì)于硅、砷化鎵、鍺甚至碳化硅器件，GaN器件可以在更高頻率、更高功率、更高溫度的情況下工作。另外，氮化鎵器件可以在1~110GHz范圍的高頻波段應(yīng)用，這覆蓋了移動(dòng)通信、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)微波通信、雷達(dá)應(yīng)用等波段。

近年來(lái)，以GaN為代表的Ⅲ族氮化物因在光電子領(lǐng)域和微波器件方面的應(yīng)用前景而受到廣泛的關(guān)注。作為一種具有獨(dú)特光電屬性的半導(dǎo)體材料，GaN的應(yīng)用可以分為兩個(gè)部分：憑借GaN半導(dǎo)體材料在高溫高頻、大功率工作條件下的出色性能可取代部分硅和其它化合物半導(dǎo)體材料；憑借GaN半導(dǎo)體材料寬禁帶、激發(fā)藍(lán)光的獨(dú)特性質(zhì)開(kāi)發(fā)新的光電應(yīng)用產(chǎn)品。目前GaN光電器件和電子器件在光學(xué)存儲(chǔ)、激光打印、高亮度LED以及無(wú)線(xiàn)基站等應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，其中高亮度LED、藍(lán)光激光器和功率晶體管是當(dāng)前器件制造領(lǐng)域最為感興趣和關(guān)注的。

3、氮化鋁材料

AlN材料是Ⅲ族氮化物，具有0.7～3.4eV的直接帶隙，可以廣泛應(yīng)用于光電子領(lǐng)域。與砷化鎵等材料相比，覆蓋的光譜帶寬更大，尤其適合從深紫外到藍(lán)光方面的應(yīng)用，同時(shí)Ⅲ族氮化物具有化學(xué)穩(wěn)定性好、熱傳導(dǎo)性能優(yōu)良、擊穿電壓高、介電常數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，使得Ⅲ族氮化物器件相對(duì)于硅、砷化鎵、鍺甚至碳化硅器件，可以在更高頻率、更高功率、更高溫度和惡劣環(huán)境下工作，是最具發(fā)展前景的一類(lèi)半導(dǎo)體材料。

AlN材料具有寬禁帶(6.2eV)，高熱導(dǎo)率(3.3W/cm·K)，且與AlGaN層晶格匹配、熱膨脹系數(shù)匹配都更好，所以AlN是制作先進(jìn)高功率發(fā)光器件(LED，LD)、紫外探測(cè)器以及高功率高頻電子器件的理想襯底材料。

4、金剛石

金剛石是碳結(jié)晶為立方晶體結(jié)構(gòu)的一種材料。在這種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)碳原子以“強(qiáng)有力”的剛性化學(xué)鍵與相鄰的4個(gè)碳原子相連并組成一個(gè)四面體。金剛石晶體中，碳原子半徑小，因而其單位體積鍵能很大，使它比其他材料硬度都高，是已知材料中硬度最高(維氏硬度可達(dá)10400kg/mm2)。

另外，金剛石材料還具有禁帶寬度大(5.5eV)；熱導(dǎo)率高，最高達(dá)120W/cm·K(-190℃)，一般可達(dá)20W/cm.K(20℃)；傳聲速度最高，介電常數(shù)小，介電強(qiáng)度高等特點(diǎn)。金剛石集力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、耐蝕等優(yōu)異性能于一身，是目前最有發(fā)展前途的半導(dǎo)體材料。依據(jù)金剛石優(yōu)良的特性，應(yīng)用十分廣泛，除傳統(tǒng)的用于工具材料外，還可用于微電子、光電子、聲學(xué)、傳感等電子器件領(lǐng)域。

5、氧化鋅

氧化鋅（ZnO）是Ⅱ-Ⅵ族纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為3.37eV；另外，其激子束縛能(60meV)比GaN(24meV)、ZnS(39meV)等材料高很多，如此高的激子束縛能使它在室溫下穩(wěn)定，不易被激發(fā)(室溫下熱離化能為26meV)，降低了室溫下的激射閾值，提高了ZnO材料的激發(fā)效率。基于這些特點(diǎn)，ZnO材料既是一種寬禁帶半導(dǎo)體，又是一種具有優(yōu)異光電性能和壓電性能的多功能晶體。
它既適合制作高效率藍(lán)色、紫外發(fā)光和探測(cè)器等光電器件，還可用于制造氣敏器件、表面聲波器件、透明大功率電子器件、發(fā)光顯示和太陽(yáng)能電池的窗口材料以及變阻器、壓電轉(zhuǎn)換器等。相對(duì)于GaN，ZnO制造LED、LD更具優(yōu)勢(shì)，具預(yù)計(jì)，ZnO基LED和LD的亮度將是GaN基LED和LD的10倍，而價(jià)格和能耗則只有后者的1/10。

ZnO材料以其優(yōu)越的特性被廣泛應(yīng)用，受到各國(guó)極大關(guān)注。

五、結(jié)語(yǔ)

寬禁帶半導(dǎo)體材料作為一類(lèi)新型材料，具有獨(dú)特的電、光、聲等特性，其制備的器件具有優(yōu)異的性能，在眾多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。它能夠提高功率器件工作溫度極限，使其在更惡劣的環(huán)境下工作；能夠提高器件的功率和效率，提高裝備性能；能夠拓寬發(fā)光光譜，實(shí)現(xiàn)全彩顯示。隨著寬禁帶技術(shù)的進(jìn)步，材料工藝與器件工藝的逐步成熟，其重要性將逐漸顯現(xiàn)，在高端領(lǐng)域?qū)⒅鸩饺〈谝淮⒌诙雽?dǎo)體材料，成為電子信息產(chǎn)業(yè)的主宰。