知識(shí)科普：什么是碳化硅

2024-01-30 2382

半導(dǎo)體材料發(fā)展已有幾十年，目前第一代半導(dǎo)體硅Si和鍺Ge已到應(yīng)用瓶頸，隨著研究的深入，第一代半導(dǎo)體材料的短板和應(yīng)用邊界逐漸顯露出來了。而以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體以其優(yōu)異的電氣特性，為電子器件的性能提升提供了更多的可能性。.

認(rèn)識(shí)碳化硅

碳化硅（英語：silicon carbide，carborundum），化學(xué)式SiC，俗稱金剛砂，寶石名稱鉆髓，天然礦物為莫桑石，為硅與碳相鍵結(jié)而成的陶瓷狀化合物，碳化硅在大自然以莫桑石這種稀有的礦物的形式存在。碳化硅是目前用途廣泛的第三代半導(dǎo)體材料，自然形成的非常稀少，目前主要靠人工合成，碳化硅高純粉料是采用PVT法生長(zhǎng)碳化硅單晶的原料，在超過2000℃的高溫下，將碳粉和硅粉通過高溫分解成原子，通過溫度控制沉積在碳化硅籽晶上形成碳化硅晶體。

材料特性

SiC是由硅(Si)和碳(C)組成的寬禁帶半導(dǎo)體。能隙在3.26 eV左右。其結(jié)合力非常強(qiáng)，在熱、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定。SiC存在各種多型體（多晶型體），它們的物理特性值各有不同。下面詳細(xì)看看碳化硅有哪些詳細(xì)特性。

物理特性

碳化硅（SiC）外觀為堅(jiān)硬的墨綠色無味粉末，摩爾質(zhì)量為40.097g·mol?1，密度為3.16 g/cm3（六方碳化硅），熔點(diǎn)為2830 °C。

化學(xué)特性

碳化硅（SiC）難溶于水、難溶于乙醇，具有較高的化學(xué)惰性。相較于晶體硅具有更高的熱電導(dǎo)率、電場(chǎng)擊穿強(qiáng)度和最大電流密度，熱膨脹系數(shù)也非常低。此外碳化硅存在各種多晶型體，比較常見的類型有(β)3C-SiC、4H-SiC、(α)6H-SiC這三種晶型，以下為其結(jié)構(gòu)示意圖。

(β)3C-SiC

4H-SiC

(α)6H-SiC

碳化硅存在著約250種結(jié)晶形態(tài)。α-碳化硅(α-SiC)是這些多型體中最為常見的，它是在大于1700°C的溫度下形成的，具有類似纖鋅礦的六方晶體結(jié)構(gòu)。具有類似鉆石的閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的β-碳化硅(β-SiC)則是在低于1700°C的條件下形成的。β-碳化硅因其相較α-碳化硅擁有更高的比表面積，所以可用于非均相催化劑的負(fù)載體。

純的碳化硅是無色的，工業(yè)用碳化硅由于含有鐵等雜質(zhì)而呈現(xiàn)棕色至黑色。晶體上彩虹般的光澤則是因?yàn)槠浔砻娈a(chǎn)生的二氧化硅鈍化層所致。

研發(fā)背景

碳化硅最早因?yàn)橘|(zhì)地堅(jiān)硬，常被用于磨料。在應(yīng)用過程中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)碳化硅在應(yīng)用于電子器件時(shí)有著非常不錯(cuò)的性能，隨后科學(xué)家開始研發(fā)大規(guī)模人造碳化硅的技術(shù)。碳化硅的發(fā)展軌跡與氮化鎵類似，但是從應(yīng)用歷史的角度而言，碳化硅是氮化鎵的前輩。

研發(fā)歷史

1810年貝采里烏斯報(bào)道的用金屬鉀還原氟硅酸鉀的合成方法。

1849年Charles Mansuète Despretz報(bào)道的將通電的碳棒埋在沙粒中的合成方法

1881年Robert Sydney Marsden報(bào)道的在石墨坩堝中用熔融的銀溶解硅石的合成方法。

1882年Albert Colson在乙烯氣氛中加熱單質(zhì)硅的合成方法以及1881年P(guān)aul Schützenberger報(bào)道的在石墨坩堝中加熱硅單質(zhì)和硅石混合物的合成方法。

但真正實(shí)現(xiàn)碳化硅的大量制備還是在1890年由愛德華·古德里奇·艾奇遜率先實(shí)現(xiàn)的。艾奇遜嘗試在鐵鍋中加熱粘土（硅酸鋁）和焦炭粉的混合物合成人造鉆石的過程中發(fā)現(xiàn)了這個(gè)合成碳化硅的方法，他將得到的藍(lán)色金剛砂晶體誤認(rèn)為是一種由碳和鋁構(gòu)成的類似剛玉的物質(zhì)。

1893年亨利·莫瓦桑在研究來自亞利桑那州的代亞布羅峽谷隕石樣品時(shí)發(fā)現(xiàn)了罕有的在自然條件下存在的碳化硅礦石，將之命名為莫桑石。莫瓦桑也通過幾種方法合成了碳化硅：包括用熔融的單質(zhì)硅熔解單質(zhì)碳、將碳化硅和硅石的混合物熔化和在電爐中用單質(zhì)碳還原硅石的方法。但莫瓦桑在1903年時(shí)還是將碳化硅的發(fā)現(xiàn)歸功于艾奇遜。

艾奇遜在1893年2月28日為合成碳化硅粉末的方法申請(qǐng)了專利保護(hù)。

1907年馬可尼公司的雇員兼馬可尼的助手Henry Joseph Round通過在碳化硅晶體上施加一定的電壓后在陰極上觀察到有黃色、綠色和橙色光放出，由此得到了世界上第一個(gè)發(fā)光二極管。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果后來在1923年被蘇聯(lián)科學(xué)家奧列格·洛謝夫重復(fù)證實(shí)。

應(yīng)用范圍

碳化硅器件應(yīng)用場(chǎng)景廣闊。因其高熱導(dǎo)性、高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度及高電流密度，基于碳化硅材料的半導(dǎo)體器件可應(yīng)用于汽車、充電設(shè)備、便攜式電源、通信設(shè)備、機(jī)械臂、飛行器等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。其應(yīng)用的范圍也在不斷地普及和深化，是一種應(yīng)用前景非常廣泛、非常具有價(jià)值的材料。

碳化硅功率器件在風(fēng)力發(fā)電、工業(yè)電源、航空航天等領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)成熟應(yīng)用。伴隨新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，功率器件的使用需求大幅增加。

根據(jù) IC Insights《2019 年光電子、傳感器、分立器件市場(chǎng)分析與預(yù)測(cè)報(bào)告》， 2018 年全球功率器件的銷售額增長(zhǎng)率為 14%，達(dá)到 163 億美元。而 IHSMarkit 數(shù)據(jù)表明，2018 年碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模約 3.9 億美元，受新能源汽車龐大需求的驅(qū)動(dòng)，以及電力設(shè)備等領(lǐng)域的帶動(dòng)，預(yù)計(jì)到 2027 年碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將超過 100 億美元，碳化硅襯底的市場(chǎng)需求也將大幅增長(zhǎng)。

快充領(lǐng)域

我們重點(diǎn)聊聊碳化硅于快充領(lǐng)域上的應(yīng)用，與氮化鎵一樣，碳化硅主要是作為功率電子元件應(yīng)用于充電產(chǎn)品上。區(qū)別在于碳化硅主要應(yīng)用于大功率尤其是100W以上快充產(chǎn)品，而氮化鎵應(yīng)用的快充產(chǎn)品包含幾乎所有功率范圍。

工作原理

碳化硅是目前被廣泛關(guān)注的第三代半導(dǎo)體，已在快速切換、高溫及高電壓的應(yīng)用上，進(jìn)行前期的大量生產(chǎn)。第一個(gè)可用的元件是肖特基二極管，之后是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管及高速切換的功率MOSFET。目前正在開發(fā)雙極性晶體管及晶閘管。

與充電器最相關(guān)的是就是二極管和MOS管了。碳化硅主要就是用于構(gòu)成這些元件的，具體來說是構(gòu)成以上器件的襯底，以取代硅。這個(gè)是什么原理呢？

我們以MOS管為例，在該構(gòu)件里面，碳化硅作為襯底，由于摻入了三價(jià)硼離子，導(dǎo)致襯底帶正電，于是我們把這種半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。

然后我們把這個(gè)碳化硅襯底與柵極、源極、漏極組裝成MOS管，給它通上高低電平，就能實(shí)現(xiàn)直流電到交流電的逆變。為什么說以碳化硅為襯底的MOS管以及IGBT（MOS管與三極管的整合件）性能更強(qiáng)，這是因?yàn)?，這個(gè)元件需要不斷導(dǎo)通和斷接電流，高壓會(huì)不斷作用于基底上。

斷開時(shí)作用于基底的電壓非常高，一般硅的禁帶寬度（衡量耐受電壓的量）為1.12ev，碳化硅則在3.26ev，是硅的三倍，這意味著。在同樣的電壓下，硅基底的設(shè)計(jì)面積只需要硅的三分之一。此外，碳化硅同樣具有更好的熱導(dǎo)率、更高的工作溫度以及更高的工作頻率（開關(guān)頻率）

我們整理了硅與碳化硅的性能對(duì)比表格，一起來看一下。

概括來說，除禁帶寬度的優(yōu)勢(shì)，可以使碳化硅襯底強(qiáng)度更高，耐壓更強(qiáng)。除此之外：

1）更高的耐受溫度，意味著碳化硅的可耐受的高溫環(huán)境更廣，應(yīng)用范圍更大。

2）高出數(shù)倍的開關(guān)頻率，使它像氮化鎵一樣，能大幅度減小其他元件，尤其是變壓器的體積，從而減小充電產(chǎn)品的體積。

3）更優(yōu)秀的熱導(dǎo)率，意味著元件工作時(shí)的能量轉(zhuǎn)化率更高，損耗小，而且器件更耐損。還能提高集成電路的元件密度，變相減小充電產(chǎn)品的體積。

總體而言，碳化硅應(yīng)用于電子產(chǎn)品的元件和優(yōu)勢(shì)與氮化鎵基本相似，都是應(yīng)用于功率器件中的MOS管、IGBT等開關(guān)管類，由于優(yōu)異的禁帶寬度，更高的耐熱性、更好的熱導(dǎo)率，所以能節(jié)約器件規(guī)格尺寸以及BOM成本節(jié)約成本；并且降低產(chǎn)品的尺寸規(guī)格，提升用戶的體驗(yàn)。

但是碳化硅應(yīng)用于管類元件有一個(gè)短板，就是這類元件更容易發(fā)生短路故障。具體原理是碳化硅由于更好的導(dǎo)熱性能往往芯片面積會(huì)做得更小，這會(huì)使得它的導(dǎo)流密度更高，進(jìn)而提升短路風(fēng)險(xiǎn)。其次，在短路工況下，由于碳化硅MOS管需要更高的正向柵極偏壓，從而進(jìn)一步加劇短路時(shí)柵極氧化層退化問題。

其他應(yīng)用

磨料和切割工具

由于金剛砂的耐用性和低成本，在現(xiàn)代寶石加工中作為常用磨料使用。金剛砂憑借其硬度使它在制造業(yè)中諸如砂輪切割、搪磨、水刀切割和噴砂等磨削加工過程。將碳化硅粒子層壓在紙上就能制成砂紙和滑板的握帶。

1982年由氧化鋁和碳化硅須晶構(gòu)成的超強(qiáng)復(fù)合材料問世，經(jīng)過隨后三年的發(fā)展這種復(fù)合材料走出實(shí)驗(yàn)室成為商品。1985年先進(jìn)復(fù)合材料公司和Greenleaf公司推出了新的商品化切割工具，工具就是由氧化鋁和碳化硅須晶組成的加強(qiáng)型復(fù)合材料所制造的。

結(jié)構(gòu)材料

在二十世紀(jì)80至90年代，幾個(gè)歐洲、日本和美國(guó)的高溫燃?xì)鉁u輪機(jī)研究項(xiàng)目對(duì)碳化硅做了研究，項(xiàng)目的目標(biāo)均打算以碳化硅代替鎳高溫合金制造渦輪機(jī)葉片或噴嘴葉片。但這些項(xiàng)目無一實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，主要原因在于碳化硅材料的耐沖擊性和斷裂韌度低。

不同于其他陶瓷材料比如氧化鋁和碳化硼，碳化硅可用于制造復(fù)合裝甲（比如喬巴姆裝甲）和防彈背心中的陶瓷板。

天文學(xué)

碳化硅具備的低熱膨脹系數(shù)、高的硬度、剛性和熱導(dǎo)率使其能夠作為天文望遠(yuǎn)鏡的鏡面材料。通過化學(xué)氣相沉積制造的直徑達(dá)3.5米和2.7米的多晶碳化硅圓盤已被分別安裝在赫歇爾空間天文臺(tái)和同溫層紅外線天文臺(tái)等幾個(gè)大型天文望遠(yuǎn)鏡上。

催化劑載體

碳化硅本身的抗氧化性質(zhì)和立方β-SiC所具有的大比表面積使其可作為非均相催化劑的載體。通過稻殼炭化合成的β-SiC已被用于作為非均相催化劑的載體應(yīng)用于催化諸如正丁烷氧化生成順丁烯二酸酐這類烴類的氧化反應(yīng)。

石墨烯生長(zhǎng)

通過加熱至高溫，可在碳化硅的表面得到外延石墨烯。這種獲取石墨烯的方法被認(rèn)為有希望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模合成具有實(shí)際應(yīng)用的石墨烯。

材料應(yīng)用瓶頸

碳化硅元件商品化的主要問題是如何去除缺陷：包括邊緣位錯(cuò)、螺旋位錯(cuò)（空心和閉合）、三角形缺陷及基面位錯(cuò)。因此，雖然有許多研究設(shè)法要改善特性，但最早期SiC材料的元件，其反向電壓阻隔能力不好。除了晶體品質(zhì)外，SiC和二氧化硅的界面問題也影響了SiC MOSFET及IGBT的發(fā)展。滲氮已大幅改善了界面問題，不過其機(jī)制還不清楚。

2008年已有第一個(gè)商品化的JFET，額定1200V，之后是2011年第一個(gè)商品化的MOSFET，額定電壓1200 V。SiC的開關(guān)以及SiC肖特基二極管有常見的TO-247及TO-220封裝外，許多廠商也開始將SiC裸晶放在功率模組中。

SiC SBD二極管已用在PFC功率因數(shù)校正電路上，以及IGBT功率模組中。像是國(guó)際集成功率電子系統(tǒng)大會(huì)（CIPS）等研討會(huì)也會(huì)定期報(bào)告有關(guān)SiC功率元件的技術(shù)驅(qū)勢(shì)。

日本部分新造的大功率交傳鐵路車輛，以碳化硅取代IGBT用于牽引變流裝置（如新干線ALFA-X、EMU3000和E235系），有助進(jìn)一步減少車輛耗電。

總結(jié)

技術(shù)的發(fā)展離不開材料的創(chuàng)新，從硅基底到碳化硅基底的轉(zhuǎn)變既是半導(dǎo)體材料的更新?lián)Q代，也是集成電路的技術(shù)突破。如今，第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用潛力還未被全部釋放，應(yīng)用前景在業(yè)內(nèi)十分被看好。但是正如任何新生事物一樣，碳化硅目前在技術(shù)上尚有許多地方不成熟。譬如，碳化硅的晶化程度還有待提升，以及碳化硅元件的閘極驅(qū)動(dòng)電路不對(duì)稱的問題也有待解決。

但無論如何，隨著材料應(yīng)用領(lǐng)域的深入，相信碳化硅的這些問題遲早都會(huì)得到解決，畢竟實(shí)踐是最好的老師。