有趣的材料—無(wú)處不在的碳化硅

作為第三代半導(dǎo)體的一種，碳化硅在當(dāng)今起到不可估量的貢獻(xiàn)。

20世紀(jì)初期

人們對(duì)半導(dǎo)體的認(rèn)知較少，但依舊有不少關(guān)于半導(dǎo)體材料的研究。

20世紀(jì)50年代

笨重的電子管結(jié)構(gòu)脆弱、壽命短，很難支撐人們對(duì)于更高端的追求，由硅基、鍺基半導(dǎo)體器件為主的微電子行業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，開啟第一代半導(dǎo)體材料時(shí)代。

20世紀(jì)90年代

隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)的興起，增加了對(duì)半導(dǎo)體材料適應(yīng)高速、高頻的需求，以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭腳。

當(dāng)前

電子器件的使用環(huán)境逐漸惡劣，航空航天、石油探測(cè)領(lǐng)域前景廣闊，在熱導(dǎo)率、擊穿場(chǎng)等上的要求更高，那么以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為主的第三代半導(dǎo)體材料起到了極大的作用。

碳化硅的巨大優(yōu)勢(shì)

SiC材料既繼承了硅的優(yōu)異性能，又兼具與金剛石比擬的特性，SiC集成光學(xué)因SiC具有的高折射率、寬透光窗口、高非線性系數(shù)、CMOS工藝兼容等特性成為頗具潛力的集成光子芯片發(fā)展方向。 碳化硅是一種寬帶隙化合物半導(dǎo)體，具有高擊穿場(chǎng)、高飽和電子漂移速率、高熱導(dǎo)等優(yōu)異性能。相比同類硅基器件，SiC器件具有耐高溫、耐高壓、高頻特性好、轉(zhuǎn)化效率高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車、軌道交通、高壓輸變電、光伏、5G通訊等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

碳化硅的巨大優(yōu)勢(shì) 碳化硅的產(chǎn)業(yè)鏈可以從三個(gè)層面來(lái)看，可分為上游（襯底等）、中游（功率器件等）、下游（系統(tǒng)、應(yīng)用）。

在上游領(lǐng)域，碳化硅晶片作為一種半導(dǎo)體襯底材料，可以制造不同導(dǎo)電能力的導(dǎo)電型和半絕緣型晶片，用于新能源汽車、航空航天和5G通訊、衛(wèi)星不同領(lǐng)域 。因此在SiC產(chǎn)業(yè)鏈中，價(jià)值主要集中于上游襯底和外延，也很大程度上關(guān)系國(guó)家半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。

前沿成果

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員陳小龍研究團(tuán)隊(duì)于2021年利用氣相法成功制造出8英寸碳化硅晶體。SiC晶體的生長(zhǎng)方法主要有物理氣相傳輸法(PVT)、高溫化學(xué)氣相沉積法(HTCVD)和液相外延法(LPE)。PVT 法設(shè)備易于制造、長(zhǎng)晶過(guò)程更好控，但生長(zhǎng)速度慢、厚度低，且良率較低。2023年1月，團(tuán)隊(duì)采用液相法成功研制4英寸的SiC晶片，LPE法所需生長(zhǎng)溫度較低，晶體錯(cuò)位密度低，而且良率更高，是一種更為有效的新方法。

物理氣相傳輸法（PVT）制碳化硅晶體

液相外延法(LPE)制碳化硅晶體

審核編輯 ：李倩