碳化硅材料特性及应用领域

  碳化硅是典型的实用宽禁带半导体材料之之一，跟硅和砷化镓一样具有典型的半导体特性，被人们称为继硅和砷化镓之后的“第三代半导体”，尤其在制造电力电子器件方面具有广阔的应用前景。但是，在半导体已深得人心的一个很长时期内，很多人对碳化硅的了解，还仅限于它的高硬度、耐磨和耐高温特性，因而其实用价值在过去的长时期内主要是作为研磨材料应用于机械加工和作为耐火材料应用于金属冶炼。
 
  虽然碳化硅作为半导体材料的应用比硅和砷化镓几乎晚了半个世纪，但早在1824年，瑞典科学家J.J. Berzelius(1779-1848)在人工合成金刚石的过程中就已经观察到了它的存在。不过，由于自然界中天然碳化硅晶体极少，人工合成又极困难，人们在那个年代对其不可能有太多了解。直到E.G. Acheson(1856-1931)发明了碳化物晶体的人工制造技术之后，人们才开始对其逐渐有所认识。
 
  高饱和电子迁移率(Si的2.5倍)以及高健合能等优点，这就使得碳化硅材料可以很好地适用于高性能(高频、高温、高功率、抗辐射)电子器件。高的热导率有利于大功率器件的热耗散和高密度集成高的载流子饱和迁移速率可以使之应用于高速开关器件；高的临界位移能使碳化硅器件的抗辐射性能优于Si器件。
 
  由于碳化硅材料的带隙很宽(4H型碳化硅在室温下约为3.26eV)，碳化硅器件能够在很高的温度下工作而不至于因为本征载流子激发导致器件性能失效。碳化硅材料在发生雪崩击穿前所能够忍受的极限电场是硅材料和砷化镓(GaAs)的5~20倍12。这一高极限电场可以用来制造高压、大功率器件。
 
  碳化硅材料具有很高的临界位移能约为45~90eV。这使得碳化硅材料具有很高的抗辐射能力和抗电磁波冲击(EMP：ElectroMagnetic Pluse)能力。

 
  表1列出了碳化硅与主要半导体材料在室温下的材料参数。从表中可以看出碳化硅与砷化镓相对硅具有更优良的特性，因此这两种材料能够制作高温高压大功率器件。在宽禁带半导体材料中，碳化硅是最有希望首先取得突破，因为SIC是除了Si以外唯一能够热氧化生长Sio₂的半导体，而且SIC器件工艺和设备都与Si器件有很强的兼容性。碳化硅高的临界击穿电场使其漂移区的电阻减少200倍，从而使高压器件的导通电压比目前所有的硅功率器件(IGBT、SBD、PiN)都小得多。
 
  然而难以获得高质量的碳化硅衬底一直是阻碍这一领域发展的主要难题。随着1978年的大面积碳化硅籽晶生长法的出现以及随后碳化硅薄膜制备技术的完备，碳化硅材料得到了进一步的发展。随着碳化硅材料制造工艺的进一步发展，以及制造成本的不断下降，碳化硅材料将在高温、高频、光电子、抗辐射等领域拥有广阔的应用发展前景，如表2。


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