劉金婷 賀瑞 劉瑞瑩 段兵青 李娜 趙路

摘 ? 要：科技的發(fā)展促進了各行各業(yè)應用技術(shù)的創(chuàng)新與進步。近年來，世界范圍內(nèi)的新材料研發(fā)一直是科研熱點所在。運用新興的物理材料不僅能夠改善特定領(lǐng)域的傳統(tǒng)應用與發(fā)展方式，還能夠極大程度的提升生產(chǎn)、制造等實際應用角度的效率。本文主要針對碳化硅半導體材料的本質(zhì)屬性，新材料特點和優(yōu)勢展開討論與分析，結(jié)合碳化硅材料的應用背景及其在半導體行業(yè)的主導性地位進行研究，為新型半導體材料的研發(fā)與實際應用提供一定參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：碳化硅 ?半導體材料 ?應用前景 ?SiC發(fā)展

中圖分類號：TN304 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0074-02

以半導體材料為代表的新材料研發(fā)與應用技術(shù)攻關(guān)工作如今已進入快速發(fā)展的時期。歷經(jīng)多年的科研與試驗探索，半導體材料已經(jīng)進入第三代研發(fā)階段?；仡櫚雽w材料的發(fā)展過程，第一代“元素半導體”以硅基和鍺基為主，被大量應用于計算機等載體的數(shù)據(jù)運算和存儲過程?？傮w評價以鍺基半導體材料的技術(shù)更為成熟和穩(wěn)定，實際應用量也更大。接下來是第二代的化合物半導體，一般認為是以砷化鎵、磷化銦為基礎而構(gòu)成的III-V 族化合物。這類半導體材料相較于第一代而言具有更加穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸性能，因此被廣泛應用于各類半導體激光器、光纖通信、寬帶傳輸?shù)葘π畔⒒瘋鬏敽痛鎯δ芰σ筝^高的領(lǐng)域，應用之后立即引發(fā)了傳統(tǒng)通信和信息傳輸領(lǐng)域的革命。目前主流應用的是第三代半導體材料，典型代表包括了以氮化鎵、氮化銦、氮化鋁和碳化硅等為基礎構(gòu)成的III-V族化合物半導體。第三代半導體擁有更加理想的光電轉(zhuǎn)化能力和微波信號傳輸效率，這些優(yōu)良的特性使得第三代半導體在照明、顯示、通訊等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。需要特別指出的是，本文的主要研究對象碳化硅SiC即為主流第三代半導體藍綠光LED的主要構(gòu)成材料。

1 ?碳化硅材料的發(fā)展歷程

關(guān)于碳化硅的發(fā)現(xiàn)及相關(guān)半導體研究的歷史最早可以追溯到1824年。當時的瑞典科學家Berzelius在人工合成金剛石的實驗中意外發(fā)現(xiàn)了碳化硅這一物質(zhì)。但畢竟碳化硅在自然界存量極少，沒能引起足夠的關(guān)注。在1885年，另一位化學家Acheson在石英砂與碳的混合加熱過程中，高溫生成了SiC晶體，這也是人類歷史上首次制備純凈的碳化硅。再后來的1959年，一位荷蘭科學家提出了一種通過升華的方式讓單晶體生長的方法，隨后又在1978年被俄羅斯科學家進行了改良和優(yōu)化。很快在1979年，以碳化硅為主要材料的藍色發(fā)光二極管被發(fā)明了出來。直到現(xiàn)在，在后續(xù)的研發(fā)和應用過程中，碳化硅以各種形態(tài)和應用方式在電子信息存儲、傳輸和數(shù)據(jù)通訊等相關(guān)行業(yè)內(nèi)發(fā)揮了巨大的作用，憑借其穩(wěn)定的化學特性和優(yōu)秀的半導體材料特質(zhì)，在半導體材料領(lǐng)域獲得了極大的發(fā)展空間。

2 ?碳化硅的晶體結(jié)構(gòu)特點與優(yōu)勢

碳化硅SiC的結(jié)晶結(jié)構(gòu)屬于具有較好穩(wěn)定性的典型共價鍵結(jié)構(gòu)。在自然界中幾乎不存在純凈的碳化硅化合物。SiC本身具有α和β兩種晶體形態(tài)，其分別對應的晶體結(jié)構(gòu)決定了其立方晶格的組成方式。多變的組成結(jié)構(gòu)讓碳化硅擁有100余種多型體。在眾多的晶體結(jié)構(gòu)當中，以6h多形體在工業(yè)上的應用最為普及和廣泛。碳化硅在溫度低于1600℃時能夠以β-SiC的形式存在，并且其形態(tài)會隨著溫度的變化而變化。當溫度在2000℃左右時，即可生成4H-SiC，溫度達到2100℃左右時，15R和6H的多型體開始出現(xiàn)。

碳化硅的原子構(gòu)成結(jié)構(gòu)和結(jié)晶形態(tài)決定了其有較好的穩(wěn)定性，同時能耐受較高的溫度。這就為碳化硅器件在高溫電子工作中的應用創(chuàng)造了可能性和適用條件。碳化硅本身屬于一種寬帶隙半導體，其不同的結(jié)晶狀態(tài)對應有不同的帶隙。在實際應用中，即可表現(xiàn)為不同顏色的發(fā)光材料。利用這一特性，可以將碳化硅半導體材料用于制作led發(fā)光二極管并能夠?qū)崿F(xiàn)藍色和綠色等多種顏色的發(fā)光功用。

根據(jù)碳化硅所具有的多型體晶格及對應的半導體特性的差異，可以根據(jù)實際應用的需求選擇相應的碳化硅多型體進行匹配應用。在不同多型體晶格間進行篩選，選擇具有良好穩(wěn)定性和滿足實際應用需求的異質(zhì)復合結(jié)構(gòu)和超晶格，以便于獲得器件的最佳性能，實現(xiàn)碳化硅半導體材料的高效利用。以上文提到的6H-SiC為例，它擁有所有碳化硅晶格結(jié)構(gòu)中最好的穩(wěn)定性，因此更適用于制造光電子器件。而P-SiC相對來說更加活潑，它擁有更高的電子遷移速率。電子在傳播和移動過程中的漂移速度滿足擊穿電場的最低要求，因此更適宜制造高溫、大功率的高頻電子元器件。另外，在其他一些薄膜類材料的襯底方面也有著理想的應用效果。

3 ?碳化硅材料的發(fā)展前景

碳化硅憑借其在高溫、高壓、高頻等極端特殊環(huán)境下的穩(wěn)定表現(xiàn)和優(yōu)秀性能贏得了更加廣闊的發(fā)展空間。現(xiàn)階段，碳化硅及其半導體材料制品已成為最受關(guān)注的半導體材料之一，在一些交流-直流轉(zhuǎn)換器等電源裝置中得到了廣泛的應用。碳化硅材料本身具有適應高功率轉(zhuǎn)換且運行能耗較低的特性。因此，這種低能耗的半導體材料與清潔能源配合使用就能夠更大程度地達到環(huán)境友好型能源方式的轉(zhuǎn)變。在深井鉆探，太陽能逆變器，風能逆變器以及以電力驅(qū)動的汽車和混合動力汽車等相關(guān)應用中都能夠發(fā)揮較好的效果。同時，在以工業(yè)驅(qū)動為代表的一些輕軌牽引類的大功率電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應用也較為常見。

碳化硅半導體材料應用的領(lǐng)域和扮演的角色都十分多樣。其在新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)等電力相關(guān)的領(lǐng)域都存在著巨大潛力。隨著當前全球范圍內(nèi)對新型半導體材料的需求量逐漸攀升，一些輕量化、高轉(zhuǎn)換效率、低發(fā)熱量的半導體材料已經(jīng)成為市場需求的典型代表。而碳化硅半導體材料恰恰滿足以上這些條件，它能夠在功率器件中取代傳統(tǒng)的單質(zhì)硅而為行業(yè)的發(fā)展帶來新的推動力。伴隨著國家對新能源汽車及相關(guān)大功率電源轉(zhuǎn)換項目的需求量增加，預計在2016—2020年間，設立國家電網(wǎng)服務的電動汽車充電站一萬個以上，大力推動“四縱四橫”的電動汽車充電網(wǎng)絡建設，以此滿足新能源汽車的電力供應基本保障。在這樣的形勢和背景之下，碳化硅功率器件必將迎來新的發(fā)展契機。

全球范圍內(nèi)的碳化硅材料市場以美國的一些公司為行業(yè)領(lǐng)先者，其擁有的碳化硅相關(guān)材料專利占市場的比重較大。此外，歐洲和日本部分企業(yè)在近年內(nèi)也陸續(xù)推出了以50～75mm碳化硅單晶為主的生產(chǎn)計劃，以此提前在碳化硅市場中占據(jù)有利的位置。視線轉(zhuǎn)到我國，雖然對碳化硅的市場需求量巨大，全國總量可達全球使用量的一半以上。但我國的碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍需要進一步完善和壯大。國內(nèi)主要從事碳化硅材料及器件研發(fā)和制造的多數(shù)都是高校和科研院所。即使投入經(jīng)費十分可觀，但在關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)上還需要進一步加強。

4 ?結(jié)語

碳化硅憑借其優(yōu)良的物理化學性質(zhì)獲得了廣泛的應用，迅速占領(lǐng)了半導體材料市場的半壁江山。隨著生產(chǎn)成本的不斷下降，優(yōu)異的性能讓碳化硅在功率器件的行業(yè)中實現(xiàn)了對硅單質(zhì)半導體的逐步取代。而面對世界范圍內(nèi)發(fā)展空間巨大的碳化硅半導體市場，我國需要盡快提升研發(fā)實力，完善碳化硅半導體的發(fā)展體系。

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