碳化矽晶體

早在1824年，瑞典科學家Berzelius(1779一1848)在人工合成金剛石的過程中就觀察到了SiC的存在，但是因為天然的SIC單晶極少，當時人們對SIC的性質幾乎沒有什麼了解。

基本介紹

• 中文名：碳化矽晶體
• 外文名：silicon carbide (SiC) single crystal
• 時間：1885年
• 結構：緻密排列的兩個亞晶格組成
• 研發：美國的Cree公司、通用電子公司

歷史

直到1885年，Acheson首次生長出SiC晶體之後，人們才開始對SIC的特性、材料製備方法及套用前景等多方面開始了深入研究。

結構

SiC作為C和Si唯一穩定的化合物，其晶格結構由緻密排列的兩個亞晶格組成，每個si(或c)原子與周邊包圍的C(si)原子通過定向的強四面體SP3鍵結合，雖然SiC的四面體鍵很強，但層錯形成能量卻很低，這一特點決定了SiC的多型體現象，已經發現SiC具有250多種多型體，每種多型體的C/Si雙原子層的堆垛次序不同。最常見的多型體為立方密排的3C-SIC和六角密排的4H、6H-SiC。不同的多型體具有不同的電學性能與光學性能。SiC的禁頻寬度為Si的2-3倍，熱導率約為Si的4.4倍，臨界擊穿電場約為Si的8倍，電子的飽和漂移速度為Si的2倍。SiC的這些性能使其成為高頻、大功率、耐高溫、抗輻照的半導體器件的優選材料，可用於地面核反應堆系統的監控、原油勘探、環境監測及航空、航天、雷達、通訊系統和大功率的電子轉換器及汽車馬達等領域的極端環境中。另外，採用SiC所製備的發光二極體的輻射波長可以覆蓋從藍光到紫光的波段，在光信息顯示系統及光積體電路等領域中具有廣闊的套用前景。

研發

世界各國對SiC的研究非常重視，紛紛投入大量的人力物力積極發展，美國、歐洲、日本等不僅從國家層面上制定了相應的研究規劃，而且一些國際電子業巨頭也都投入巨資發展碳化矽半導體器件，如德國的英飛凌半導體公司，美國的Cree公司、通用電子公司、摩托羅拉公司，日本的豐田、東芝、日立、富士等公司。（國內從事SiC晶體研製的研究所和高校主要有中科院物理所、上海矽酸鹽研究所、山東大學、西安理工大學、中國電子科技集團第四十六所等）另外設備廠商也開始支持SiC器件的生產。每年的碳化矽及相關材料國際會議ICSCRM來自全球的專家聚集在一起探討有關碳化矽最新的技術動態。

目前市場上也已有光電子、功率和微波等三類SiC器件提供商用，如PIN二極體、肖特基二極體、MESFET、MOSFET、晶閘管、SiC基發光二極體等。SiC器件的蓬勃發展迫切需要價廉、大直徑、高品質的SiC晶片，以降低器件的價格，提高器件的性能。但由於SiC在正常的工程條件下無液相存在，理論計算表明在壓力超過1010Pa、溫度超過2830℃的條件下，理想化學配比的SiC熔體才可能存在，故從商業的角度考慮SiC不可能像Si材料一樣從熔體中提拉製備。目前世界上製備SiC體單晶的標準方法是籽晶升華法。其原理是採用感應或電阻加熱的方式對準密閉的坩堝系統加熱，將作為生長源的固態混合物置於溫度較高的坩堝底部，籽晶固定在溫度較低的坩堝頂部，生長源在低壓高溫下升華分解產生氣態物質，在由生長源與籽晶之間存在的溫度梯度而形成的壓力梯度的驅動下，這些氣態物質自然輸運到低溫的籽晶位置，並由於超飽和度的產生而結晶生長。

特殊設備

目前市場上有關碳化矽的設備有峰值溫度約1950度高溫退火設備碳化矽器件高溫活化爐和峰值溫度約1380度用於碳化矽氧化的碳化矽高溫氧化爐。由於製備碳化矽晶體所需溫度通常需達到2000度以上，故用於製備碳化矽晶體的設備最高溫一般可達2500度以上。