碳化硅半導(dǎo)體材料應(yīng)用及發(fā)展前景

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

關(guān)鍵詞：碳化硅 ?半導(dǎo)體材料 ?應(yīng)用前景 ?SiC發(fā)展

中圖分類號(hào)：TN304 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（a）-0074-02

以半導(dǎo)體材料為代表的新材料研發(fā)與應(yīng)用技術(shù)攻關(guān)工作如今已進(jìn)入快速發(fā)展的時(shí)期。歷經(jīng)多年的科研與試驗(yàn)探索，半導(dǎo)體材料已經(jīng)進(jìn)入第三代研發(fā)階段。回顧半導(dǎo)體材料的發(fā)展過程，第一代“元素半導(dǎo)體”以硅基和鍺基為主，被大量應(yīng)用于計(jì)算機(jī)等載體的數(shù)據(jù)運(yùn)算和存儲(chǔ)過程。總體評(píng)價(jià)以鍺基半導(dǎo)體材料的技術(shù)更為成熟和穩(wěn)定，實(shí)際應(yīng)用量也更大。接下來是第二代的化合物半導(dǎo)體，一般認(rèn)為是以砷化鎵、磷化銦為基礎(chǔ)而構(gòu)成的III-V 族化合物。這類半導(dǎo)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(yīng)用于各類半導(dǎo)體激光器、光纖通信、寬帶傳輸?shù)葘?duì)信息化傳輸和存儲(chǔ)能力要求較高的領(lǐng)域，應(yīng)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(yīng)用的是第三代半導(dǎo)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(chǔ)構(gòu)成的III-V族化合物半導(dǎo)體。第三代半導(dǎo)體擁有更加理想的光電轉(zhuǎn)化能力和微波信號(hào)傳輸效率，這些優(yōu)良的特性使得第三代半導(dǎo)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(duì)象碳化硅SiC即為主流第三代半導(dǎo)體藍(lán)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(dǎo)體研究的歷史最早可以追溯到1824年。當(dāng)時(shí)的瑞典科學(xué)家Berzelius在人工合成金剛石的實(shí)驗(yàn)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(xué)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(xué)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(xué)家進(jìn)行了改良和優(yōu)化。很快在1979年，以碳化硅為主要材料的藍(lán)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(yīng)用過程中，碳化硅以各種形態(tài)和應(yīng)用方式在電子信息存儲(chǔ)、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(xué)特性和優(yōu)秀的半導(dǎo)體材料特質(zhì)，在半導(dǎo)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(diǎn)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(jià)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(duì)應(yīng)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(dāng)中，以6h多形體在工業(yè)上的應(yīng)用最為普及和廣泛。碳化硅在溫度低于1600℃時(shí)能夠以β-SiC的形式存在，并且其形態(tài)會(huì)隨著溫度的變化而變化。當(dāng)溫度在2000℃左右時(shí)，即可生成4H-SiC，溫度達(dá)到2100℃左右時(shí)，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(shí)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(yīng)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(dǎo)體，其不同的結(jié)晶狀態(tài)對(duì)應(yīng)有不同的帶隙。在實(shí)際應(yīng)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(dǎo)體材料用于制作led發(fā)光二極管并能夠?qū)崿F(xiàn)藍(lán)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(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體特性的差異，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求選擇相應(yīng)的碳化硅多型體進(jìn)行匹配應(yīng)用。在不同多型體晶格間進(jìn)行篩選，選擇具有良好穩(wěn)定性和滿足實(shí)際應(yīng)用需求的異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)和超晶格，以便于獲得器件的最佳性能，實(shí)現(xiàn)碳化硅半導(dǎo)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(duì)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(dòng)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(yīng)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(dǎo)體材料制品已成為最受關(guān)注的半導(dǎo)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(yīng)用。碳化硅材料本身具有適應(yīng)高功率轉(zhuǎn)換且運(yùn)行能耗較低的特性。因此，這種低能耗的半導(dǎo)體材料與清潔能源配合使用就能夠更大程度地達(dá)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(fēng)能逆變器以及以電力驅(qū)動(dòng)的汽車和混合動(dòng)力汽車等相關(guān)應(yīng)用中都能夠發(fā)揮較好的效果。同時(shí)，在以工業(yè)驅(qū)動(dòng)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(yīng)用也較為常見。

碳化硅半導(dǎo)體材料應(yīng)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(dāng)前全球范圍內(nèi)對(duì)新型半導(dǎo)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(dǎo)體材料已經(jīng)成為市場需求的典型代表。而碳化硅半導(dǎo)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(dòng)力。伴隨著國家對(duì)新能源汽車及相關(guān)大功率電源轉(zhuǎn)換項(xiàng)目的需求量增加，預(yù)計(jì)在2016—2020年間，設(shè)立國家電網(wǎng)服務(wù)的電動(dòng)汽車充電站一萬個(gè)以上，大力推動(dòng)“四縱四橫”的電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，以此滿足新能源汽車的電力供應(yīng)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(jī)。

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(jì)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(duì)碳化硅的市場需求量巨大，全國總量可達(dá)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(jìn)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(fèi)十分可觀，但在關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)上還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

4 ?結(jié)語

碳化硅憑借其優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)獲得了廣泛的應(yīng)用，迅速占領(lǐng)了半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了對(duì)硅單質(zhì)半導(dǎo)體的逐步取代。而面對(duì)世界范圍內(nèi)發(fā)展空間巨大的碳化硅半導(dǎo)體市場，我國需要盡快提升研發(fā)實(shí)力，完善碳化硅半導(dǎo)體的發(fā)展體系。

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