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碳化硅材料

浏览数量: 1     作者: 本站编辑     发布时间: 2022-04-28      来源: 本站

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。


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