碳化硅材料

碳化硅材料的结构和性质

宽禁带半导体材料(Wide Band Gap Semiconductor，简称 WBGS)是一种继第一代硅、锗和第二代砷化镓、磷化铟等材料以后发展起来的新型的第三代半导体材料。碳化硅（SiC）是第三代半导体材料的杰出代9）表。目前，碳化硅材料技术已经非常成熟，高质量的 4 英寸晶圆已经实现商品化，6 英寸晶圆也已经推出。另一种第三代半导体材料氮化镓材料，由于难以制备氮化镓衬底，其外延材料只能在其他材料上实现异质外延，其热导率只有碳化硅的四分之一，因此不适合制作高压大功率器件。碳化硅材料的优异特性使其特别适合在电力电子领域的应用。

SiC 材料的禁带宽度将近是硅的 3 倍，击穿电场是硅材料的 8 倍，极大地提高了 SiC 器件的耐压容量和电流密度。要达到相同的击穿电压，SiC 器件所需的耐压层厚度为 Si 器件的 1/10，其导通电阻只有硅器件的 1/100～1/200，极大地降低了 SiC 器件的导通损耗。大的禁带宽度使 SiC 器件可以在 250℃～600℃的工作温度下保持良好的器件特性。SiC 的热导率是硅的三倍，达 4.9W/cm•℃。优良的导热性能，可以大大提高电路的集成度，减少冷却散热系统，使系统的体积和重量大大降低，并在高温条件下长时间稳定工作。由于功率密度大，器件的面积小、工作层薄，电容和储存电荷少，可以实现高的开关速度而且开关能耗小，因此高功率 SiC 器件可以工作在较高的频率下。与硅元件构成的电源模块相比，SiC 电源模块的开关功耗约为原来的 1/4，总功耗降低 1/2。而在相同的功耗的情况下，开关频率是原来的 4 倍。碳化硅具有多种异形晶体，其中 4H-SiC 晶体具有禁带宽度大、临界场强高、热导率高、载流子饱和速率高等特性，最适合电力电子器件应用。碳化硅电力电子系统因而非常适合高功率、高频功率、高温和抗辐照的应用。基于碳化硅电力电子器件的电网系统在效率、可靠性、体积和重量方面的性能会有大幅度提高，尤其是在恶劣的环境中。另外，SiC 具有更高的临界移位能（45～90eV），这使得 SiC 具有高抗电磁波冲击和高抗辐射破坏的能力，据报道 SiC 器件的抗中子辐照的能力至少是硅器件的四倍。这些性质使 SiC 器件能够工作在极端环境下，在航天航空、高温辐射环境可望发挥重要作用。

碳化硅材料性质

在常温条件下，SiC 是具有高稳定性的半导体材料，而在温度升高到 2100℃左右以上时，将会升华，被分解为 Si 与 C 蒸汽；当温度继续升高，达到 2830℃左右时，SiC 材料会出现转熔点，经研究发现，当 SiC 器件工作在低于 1500℃时的条件下，其具有很高的稳定性，实际应用过程中为了防止 SiC 进一步氧化，大多数情况会在其表面形成较薄的一层 SiO2 层，SiO2 在高温下 1700℃会熔化并且迅速发生氧化，SiC 材料能熔于熔融的氧化物质，如熔融的 Na2O2，Na2CO3-KNO3的混合物；而且在 300℃温度下，SiC 材料可以熔于氢氧化钾和氢氧化钠的混合物，在 900 到 1200℃下，SiC 会与氯气迅速的发生化合反应，还可以有四氯化碳快速反应，可留下石墨等残留杂质，通过研究得出主要可以利用熔化状态下的氧化物或者氟来对 SiC 的表面进行蚀刻。