碳化硅（SiC）缘何成为第三代半导体最重要的材料？

一、碳化硅的前世今生

碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，例如：以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高，节能效果好。低品级碳化硅（含SiC约85%）是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提高钢的质量。此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。

碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级），具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。

二、碳化硅器件的优势特性

碳化硅（SiC）是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，世界各国对SiC的研究非常重视，纷纷投入大量的人力物力积极发展，美国、欧洲、日本等不仅从国家层面上制定了相应的研究规划，而且一些国际电子业巨头也都投入巨资发展碳化硅半导体器件。

与普通硅相比，采用碳化硅的元器件有如下特性：

1、高压特性

碳化硅器件是同等硅器件耐压的10倍

碳化硅肖特基管耐压可达2400V。

碳化硅场效应管耐压可达数万伏，且通态电阻并不很大。

2、高频特性

3、高温特性

在Si材料已经接近理论性能极限的今天，SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性，一直被视为“理想器件”而备受期待。然而，相对于以往的Si材质器件，SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求，将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。

目前,低功耗的碳化硅器件已经从实验室进入了实用器件生产阶段。目前碳化硅圆片的价格还较高,其缺陷也多。

4、碳化硅MOS的优势

硅IGBT在一般情况下只能工作在20kHz以下的频率。由于受到材料的限制，高压高频的硅器件无法实现。碳化硅MOSFET不仅适合于从600V到10kV的广泛电压范围，同时具备单极型器件的卓越开关性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在开关电路中不存在电流拖尾的情况具有更低的开关损耗和更高的工作频率。
20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比3kHz的硅IGBT模块低一半，50A的碳化硅模块就可以替换150A的硅模块。显示了碳化硅MOSFET在工作频率和效率上的巨大优势。

碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr。如图所示，同一额定电流900V的器件，碳化硅MOSFET寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅基MOSFET的5%。对于桥式电路来说（特别当LLC变换器工作在高于谐振频率的时候），这个指标非常关键，它可以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音，便于提高开关工作频率。

三、人们是如何评价碳化硅的?

几乎凡能读到的文章都是这样介绍碳化硅：

碳化硅的能带间隔为硅的2.8倍(宽禁带),达到3.09电子伏特。其绝缘击穿场强为硅的5.3倍,高达3.2MV/cm.其导热率是硅的3.3倍,为49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二极管及MOS场效应晶体管,与相同耐压的硅器件相比,其漂移电阻区的厚度薄了一个数量级。其杂质浓度可为硅的2个数量级。由此,碳化硅器件的单位面积的阻抗仅为硅器件的100分之一。它的漂移电阻几乎就等于器件的全部电阻。因而碳化硅器件的发热量极低。这有助于减少传导和开关损耗，工作频率一般也要比硅器件高10倍以上。此外，碳化硅半导体还有的固有的强抗辐射能力。

近年利用碳化硅材料制作的IGBT(绝缘栅双极晶体管)等功率器件,已可采用少子注入等工艺,使其通态阻抗减为通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身发热量小,因而碳化硅器件的导热性能极优。还有,碳化硅功率器件可在400℃的高温下正常工作。其可利用体积微小的器件控制很大的电流。工作电压也高得多。

四、第三代半导体材料

1、碳化硅单晶材料

在宽禁带半导体材料领域就技术成熟度而言，碳化硅是这族材料中最高的，是宽禁带半导体的核心。SiC材料是IV-IV族半导体化合物，具有宽禁带(Eg：3.2eV)、高击穿电场(4×106V/cm)、高热导率(4.9W/cm.k)等特点。从结构上讲，SiC材料属硅碳原子对密排结构，既可以看成硅原子密排，碳原子占其四面体空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面体空位。对于碳化硅密排结构，由单向密排方式的不同产生各种不同的晶型,业已发现约200种。目前最常见应用最广泛的是4H和6H晶型。4H-SiC特别适用于微电子领域，用于制备高频、高温、大功率器件；6H-SiC特别适用于光电子领域，实现全彩显示。

随着SiC技术的发展，其电子器件和电路将为系统解决上述挑战奠定坚实基础。因此SiC材料的发展将直接影响宽禁带技术的发展。

SiC器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景，因此一直受业界高度重视，基本形成了美国、欧洲、日本三足鼎立的局面。目前，国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国的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；芬兰的Okmetic公司；德国的SiCrystal公司，等。其中Cree公司和SiCrystal公司的市场占有率超过85%。在所有的碳化硅制备厂商中以美国Cree公司最强，其碳化硅单晶材料的技术水平可代表了国际水平，专家预测在未来的几年里Cree公司还将在碳化硅衬底市场上独占鳌头。

2、氮化镓材料

GaN材料是1928年由Johason等人合成的一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，在大气压力下，GaN晶体一般呈六方纤锌矿结构，它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的1/2；其化学性质稳定，常温下不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解；在HCl或H2下高温中呈现不稳定特性，而在N2下最为稳定。GaN材料具有良好的电学特性，宽带隙(3.39eV)、高击穿电压(3×106V/cm)、高电子迁移率(室温1000cm2/V·s)、高异质结面电荷密度(1×1013cm-2)等，因而被认为是研究短波长光电子器件以及高温高频大功率器件的选材料，相对于硅、砷化镓、锗甚至碳化硅器件，GaN器件可以在更高频率、更高功率、更高温度的情况下工作。另外，氮化镓器件可以在1~110GHz范围的高频波段应用，这覆盖了移动通信、无线网络、点到点和点到多点微波通信、雷达应用等波段。

近年来，以GaN为代表的Ⅲ族氮化物因在光电子领域和微波器件方面的应用前景而受到广泛的关注。作为一种具有独特光电属性的半导体材料，GaN的应用可以分为两个部分：凭借GaN半导体材料在高温高频、大功率工作条件下的出色性能可取代部分硅和其它化合物半导体材料；凭借GaN半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发新的光电应用产品。目前GaN光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度LED以及无线基站等应用领域具有明显的竞争优势，其中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造领域最为感兴趣和关注的。

3、氮化铝材料

AlN材料是Ⅲ族氮化物，具有0.7～3.4eV的直接带隙，可以广泛应用于光电子领域。与砷化镓等材料相比，覆盖的光谱带宽更大，尤其适合从深紫外到蓝光方面的应用，同时Ⅲ族氮化物具有化学稳定性好、热传导性能优良、击穿电压高、介电常数低等优点，使得Ⅲ族氮化物器件相对于硅、砷化镓、锗甚至碳化硅器件，可以在更高频率、更高功率、更高温度和恶劣环境下工作，是最具发展前景的一类半导体材料。

AlN材料具有宽禁带(6.2eV)，高热导率(3.3W/cm·K)，且与AlGaN层晶格匹配、热膨胀系数匹配都更好，所以AlN是制作先进高功率发光器件(LED，LD)、紫外探测器以及高功率高频电子器件的理想衬底材料。

4、金刚石

金刚石是碳结晶为立方晶体结构的一种材料。在这种结构中，每个碳原子以“强有力”的刚性化学键与相邻的4个碳原子相连并组成一个四面体。金刚石晶体中，碳原子半径小，因而其单位体积键能很大，使它比其他材料硬度都高，是已知材料中硬度最高(维氏硬度可达10400kg/mm2)。

另外，金刚石材料还具有禁带宽度大(5.5eV)；热导率高，最高达120W/cm·K(-190℃)，一般可达20W/cm.K(20℃)；传声速度最高，介电常数小，介电强度高等特点。金刚石集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身，是目前最有发展前途的半导体材料。依据金刚石优良的特性，应用十分广泛，除传统的用于工具材料外，还可用于微电子、光电子、声学、传感等电子器件领域。

5、氧化锌

氧化锌（ZnO）是Ⅱ-Ⅵ族纤锌矿结构的半导体材料，禁带宽度为3.37eV；另外，其激子束缚能(60meV)比GaN(24meV)、ZnS(39meV)等材料高很多，如此高的激子束缚能使它在室温下稳定，不易被激发(室温下热离化能为26meV)，降低了室温下的激射阈值，提高了ZnO材料的激发效率。基于这些特点，ZnO材料既是一种宽禁带半导体，又是一种具有优异光电性能和压电性能的多功能晶体。
它既适合制作高效率蓝色、紫外发光和探测器等光电器件，还可用于制造气敏器件、表面声波器件、透明大功率电子器件、发光显示和太阳能电池的窗口材料以及变阻器、压电转换器等。相对于GaN，ZnO制造LED、LD更具优势，具预计，ZnO基LED和LD的亮度将是GaN基LED和LD的10倍，而价格和能耗则只有后者的1/10。

ZnO材料以其优越的特性被广泛应用，受到各国极大关注。

五、结语

宽禁带半导体材料作为一类新型材料，具有独特的电、光、声等特性，其制备的器件具有优异的性能，在众多方面具有广阔的应用前景。它能够提高功率器件工作温度极限，使其在更恶劣的环境下工作；能够提高器件的功率和效率，提高装备性能；能够拓宽发光光谱，实现全彩显示。随着宽禁带技术的进步，材料工艺与器件工艺的逐步成熟，其重要性将逐渐显现，在高端领域将逐步取代代、第二代半导体材料，成为电子信息产业的主宰。