碳化硅晶体
1824年Berzelius发现的物质
早在1824年,瑞典科学家Berzelius(1779一1848)在人工合成金刚石的过程中就观察到了SiC的存在,但是因为天然的SiC单晶极少,当时人们对SiC的性质几乎没有什么了解。
历史背景
直到1885年,Acheson首次生长出SiC晶体之后,人们才开始对SiC的特性、材料制备方法及应用前景等多方面开始了深入研究。
结构
SiC作为C和Si稳定的化合物,其晶格结构由致密排列的两个亚晶格组成,每个Si(或C)原子与周边包围的C(Si)原子通过定向的强四面体sp3键结合,虽然SiC的四面体键很强,但层错形成能量却很低,这一特点决定了SiC的多型体现象,已经发现SiC具有250多种多型体,每种多型体的C/Si双原子层的堆垛次序不同。最常见的多型体为立方密排的3C-SiC和六角密排的4H、6H-SiC。不同的多型体具有不同的电学性能与光学性能。SiC的晶带宽度为Si的2-3倍,热导率约为Si的4.4倍,临界击穿电场约为Si的8倍,电子的饱和漂移速度为Si的2倍。SiC的这些性能使其成为高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料,可用于地面核反应堆系统的监控、原油勘探、环境监测及航空、航天、雷达、通讯系统和大功率的电子转换器及汽车马达等领域的极端环境中。另外,采用SiC所制备的发光二极管的辐射波长可以覆盖从蓝光到紫光的波段,在光信息显示系统及光集成电路等领域中具有广阔的应用前景。
研发
世界各国对SiC的研究非常重视,纷纷投入大量的人力物力积极发展,美国、欧洲、日本等不仅从国家层面上制定了相应的研究规划,而且一些国际电子业巨头也都投入巨资发展碳化硅半导体器件,如德国的英飞凌半导体公司,美国的Cree公司、通用电子公司、摩托罗拉公司,日本的丰田、东芝、日立、富士等公司。(国内从事SiC晶体研制的研究所和高校主要有中科院物理所、上海硅酸盐研究所、山东大学、西安理工大学、中国电子科技集团第四十六所等)另外设备厂商也开始支持SiC器件的生产。每年的碳化硅及相关材料国际会议ICSCRM来自全球的专家聚集在一起探讨有关碳化硅最新的技术动态。
市场上也已有光电子、功率和微波等三类SiC器件提供商用,如PIN二极管肖特基二极管、MESFET、MOSFET、晶闸管、SiC基发光二极管等。SiC器件的蓬勃发展迫切需要价廉、大直径、高品质的SiC晶片,以降低器件的价格,提高器件的性能。但由于SiC在正常的工程条件下无液相存在,理论计算表明在压力超过1010Pa、温度超过2830℃的条件下,理想化学配比的SiC熔体才可能存在,故从商业的角度考虑SiC不可能像Si材料一样从熔体中提拉制备。世界上制备SiC体单晶的标准方法是籽晶升华法。其原理是采用感应或电阻加热的方式对准密闭的坩埚系统加热,将作为生长源的固态混合物置于温度较高的坩埚底部,籽晶固定在温度较低的坩埚顶部,生长源在低压高温下升华分解产生气态物质,在由生长源与籽晶之间存在的温度梯度而形成的压力梯度的驱动下,这些气态物质自然输运到低温的籽晶位置,并由于超饱和度的产生而结晶生长。
特殊设备
市场上有关碳化硅的设备有峰值温度约1950度高温退火设备碳化硅器件高温活化炉和峰值温度约1380度用于碳化硅氧化的碳化硅高温氧化炉。由于制备碳化硅晶体所需温度通常需达到2000度以上,故用于制备碳化硅晶体的设备最高温一般可达2500度以上。
参考资料
最新修订时间:2023-06-28 11:28
目录
概述
历史背景
结构
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