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碳和硅都这么优秀了可是怎么还出了一个碳化硅
发布时间:2020-10-16 16:29    文章作者:立博官网

  大自然特别奇妙,让元素周期表上的IV族元素的单质个个异常优秀

  IV族元素排首的碳(C),是生命必不可少的组成元素之一。此外,它的单质可以为火锅、烤肉提供温度,也可以是导热性能优良的第三代半导体;它可以是性能优良的石墨烯,但是摇身一变就成为坚贞爱情的见证;它柔弱,可以穿在身上,冬暖夏凉;它坚硬,能切割一切,所向披靡。

  而IV族元素排第二的是硅(Si),是地球上含量仅次于氧(O)的元素。主要存在于不起眼的小石头中,可变成单质就能让电子设备的体积越来越小,运算速率却大大提升;它把太阳能转化成电能,也铸成了半导体行业发展的里程碑。其晶体结构和金刚石相同。

  一山更比一山高,碳化硅的出现绝非偶然,都是因为一个词优秀!

  其实,自然界也是存在天然SiC矿石,而且非常罕见。它就是莫桑石。

  下面是宝石行业常用的参数:1⃣️火彩,莫桑的火彩是钻石的2.5倍;2⃣️色散值,钻石是0.044,莫桑是0.104;3⃣️折射率,钻石是2.417,莫桑是2.65。4⃣️莫氏硬度,钻石是10,硬度之王非它莫属,莫桑石是9.2-9.8,也远高于其它宝石。所以,相同条件加工后的莫桑石会比钻石更加”闪耀“。

  但是,天然莫桑石非常稀少,稀少到仅出现在五万年前陨石坑内。所以有人说:天然莫桑石比起天然钻石更能代表爱情。

  单单因为颜值,SiC就能让相宁这么夸赞吗?非也,而是因为它也有优良的物理性能,这也是支撑它在工业生产、半导体行业等多个领域有一席之地的重要原因。

  你可能没见过莫桑石,但你一定听说过金刚砂,这个类似“金刚石”的名称已经霸气侧露的表示出了它的硬度。常见的作为磨料、耐火材料的金刚砂分黑色和绿色两种。但是,这类金刚砂都是通过石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑等原料通过电阻炉高温冶炼而成的。纯的SiC晶体是无色透明的,带有颜色是因为它们内部掺有一些杂质,纯度并非100%。

  SiC是C和Si唯一稳定的化合物,也是一种共价化合物,有闪锌矿型(立方晶系,空间群F4-3M )和纤锌矿型(六方晶系,空间群Pmc)两种结晶形式,200余种多型体,且不同结构材料之间的电学、光学等性能各不相同。

  SiC是第三代半导体材料中应用最为成熟的材料之一。第三代半导体即宽禁带半导体,主要包含包含碳化硅、氮化镓、氮化铝、氧化锌、金刚石等(第一代半导体主要是Si、Ge等单质半导体材料;第二代半导体主要是指GaAs、InP等化合物半导体材料)。SiC的禁带宽度为Si的2-3倍,导热率为Si的4-5倍,击穿电压为Si的8倍,电子饱和漂移速率为Si的2倍。所以,SiC特别适于制造高温、高频、抗辐射及高功率的器件。

  目前,采用SiC制备LED照明设备的技术已经十分成熟,也已经开始应用于半导体激光器和探测器上。采用SiC制成的发光二极管辐射波长可以覆盖绿光到紫光(400-550nm)波段,在光信息显示及光集成电路等领域中具有广阔的应用前景。

  在市场上,SiC光电子、功率和微波等三类器件也已经广泛使用,如PIN二极管、肖特基二极管、MESFET、MOSFET、晶闸管、SiC基发光二极管等。这类电力电子器件就是利用了SiC耐高温、高频、高压及高功率的优势。举个例子,Si器件的最高工作温度大约200℃,可是SiC器件在400℃的时候还能运转飞速。但是因为成本问题,SiC电子器件主要在应用于军用飞机、舰艇等,目前民用市场还比较有限。

  有人说,我们对Si的了解程度在“博士”水平,但是对于SiC的了解就像是“小学生”。我们不禁心生疑问:

  人类在1905年就在陨石中发现SiC晶体了,1907年第一只SiC晶体二极管就诞生了。已经一百多年过去了,SiC在半导体领域的优势又那么多,可为什么对它仍知之甚少呢???

  “物以稀为贵”是亘古不变的道理。自然界中的莫桑石稀少到根本没有开采价值,可遇不可求。更残酷的是,人造高纯度SiC单晶的条件又十分苛刻,尤其是很难达到制作半导体光电器件的级别要求。

  SiC的熔点小于金刚石,大于Si单晶。所以在Si的制备条件下,SiC是没有液相存在的。SiC的制备条件要求:压力约1000Pa、温度超过2000℃,理想的化学配比。故从商业角度考虑:SiC单晶不可能像Si单晶一样从熔体中提拉制备。

  目前世界上常见的制备SiC单晶的方法是籽晶升华法,又称物理气相传输法(PVT)。其原理是对准密闭的坩埚系统采用感应或电阻加热,将作为生长源的固态混合物置于温度较高的坩埚底部,籽晶固定在温度较低的坩埚顶部。在低压高温下,生长源升华且分解产生气态物质,生长源与籽晶之间存在温度梯度,因而会形成的压力梯度。这些气态物质会由此被输运到低温的籽晶位置,形成过饱和,籽晶开始长大。

  除了以上方法,常见的还有高温化学气象沉积法(HTCVD)与液相法(LPE)两种,这两种方法的生长温度也需要1500-2500℃。但是相对于PVT法,这两种方法都还尚不成熟。下图为SiC和Si单晶生长条件的参数对比。

  近两年,随着电动汽车和5G通讯技术的发展,能够承受高压、高频环境,导热性良好的SiC器件又得到了重视,开始快速发展。国内,低功耗的碳化硅器件也已经从实验室进入了实用器件的生产阶段。但是相比来说,碳化硅晶圆的价格还是比较高,其缺陷也多,所以其应用市场距离像Si器件一样广泛成熟还需要一定的时间。


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