知識科普：什么是碳化硅

2024-01-30 3163

半導體材料發展已有幾十年，目前第一代半導體硅Si和鍺Ge已到應用瓶頸，隨著研究的深入，第一代半導體材料的短板和應用邊界逐漸顯露出來了。而以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體以其優異的電氣特性，為電子器件的性能提升提供了更多的可能性。.

認識碳化硅

碳化硅（英語：silicon carbide，carborundum），化學式SiC，俗稱金剛砂，寶石名稱鉆髓，天然礦物為莫桑石，為硅與碳相鍵結而成的陶瓷狀化合物，碳化硅在大自然以莫桑石這種稀有的礦物的形式存在。碳化硅是目前用途廣泛的第三代半導體材料，自然形成的非常稀少，目前主要靠人工合成，碳化硅高純粉料是采用PVT法生長碳化硅單晶的原料，在超過2000℃的高溫下，將碳粉和硅粉通過高溫分解成原子，通過溫度控制沉積在碳化硅籽晶上形成碳化硅晶體。

材料特性

SiC是由硅(Si)和碳(C)組成的寬禁帶半導體。能隙在3.26 eV左右。其結合力非常強，在熱、化學、機械方面都非常穩定。SiC存在各種多型體（多晶型體），它們的物理特性值各有不同。下面詳細看看碳化硅有哪些詳細特性。

物理特性

碳化硅（SiC）外觀為堅硬的墨綠色無味粉末，摩爾質量為40.097g·mol?1，密度為3.16 g/cm3（六方碳化硅），熔點為2830 °C。

化學特性

碳化硅（SiC）難溶于水、難溶于乙醇，具有較高的化學惰性。相較于晶體硅具有更高的熱電導率、電場擊穿強度和最大電流密度，熱膨脹系數也非常低。此外碳化硅存在各種多晶型體，比較常見的類型有(β)3C-SiC、4H-SiC、(α)6H-SiC這三種晶型，以下為其結構示意圖。

(β)3C-SiC

4H-SiC

(α)6H-SiC

碳化硅存在著約250種結晶形態。α-碳化硅(α-SiC)是這些多型體中最為常見的，它是在大于1700°C的溫度下形成的，具有類似纖鋅礦的六方晶體結構。具有類似鉆石的閃鋅礦晶體結構的β-碳化硅(β-SiC)則是在低于1700°C的條件下形成的。β-碳化硅因其相較α-碳化硅擁有更高的比表面積，所以可用于非均相催化劑的負載體。

純的碳化硅是無色的，工業用碳化硅由于含有鐵等雜質而呈現棕色至黑色。晶體上彩虹般的光澤則是因為其表面產生的二氧化硅鈍化層所致。

研發背景

碳化硅最早因為質地堅硬，常被用于磨料。在應用過程中，科學家發現碳化硅在應用于電子器件時有著非常不錯的性能，隨后科學家開始研發大規模人造碳化硅的技術。碳化硅的發展軌跡與氮化鎵類似，但是從應用歷史的角度而言，碳化硅是氮化鎵的前輩。

研發歷史

1810年貝采里烏斯報道的用金屬鉀還原氟硅酸鉀的合成方法。

1849年Charles Mansuète Despretz報道的將通電的碳棒埋在沙粒中的合成方法

1881年Robert Sydney Marsden報道的在石墨坩堝中用熔融的銀溶解硅石的合成方法。

1882年Albert Colson在乙烯氣氛中加熱單質硅的合成方法以及1881年Paul Schützenberger報道的在石墨坩堝中加熱硅單質和硅石混合物的合成方法。

但真正實現碳化硅的大量制備還是在1890年由愛德華·古德里奇·艾奇遜率先實現的。艾奇遜嘗試在鐵鍋中加熱粘土（硅酸鋁）和焦炭粉的混合物合成人造鉆石的過程中發現了這個合成碳化硅的方法，他將得到的藍色金剛砂晶體誤認為是一種由碳和鋁構成的類似剛玉的物質。

1893年亨利·莫瓦桑在研究來自亞利桑那州的代亞布羅峽谷隕石樣品時發現了罕有的在自然條件下存在的碳化硅礦石，將之命名為莫桑石。莫瓦桑也通過幾種方法合成了碳化硅：包括用熔融的單質硅熔解單質碳、將碳化硅和硅石的混合物熔化和在電爐中用單質碳還原硅石的方法。但莫瓦桑在1903年時還是將碳化硅的發現歸功于艾奇遜。

艾奇遜在1893年2月28日為合成碳化硅粉末的方法申請了專利保護。

1907年馬可尼公司的雇員兼馬可尼的助手Henry Joseph Round通過在碳化硅晶體上施加一定的電壓后在陰極上觀察到有黃色、綠色和橙色光放出，由此得到了世界上第一個發光二極管。這些實驗結果后來在1923年被蘇聯科學家奧列格·洛謝夫重復證實。

應用范圍

碳化硅器件應用場景廣闊。因其高熱導性、高擊穿電場強度及高電流密度，基于碳化硅材料的半導體器件可應用于汽車、充電設備、便攜式電源、通信設備、機械臂、飛行器等多個工業領域。其應用的范圍也在不斷地普及和深化，是一種應用前景非常廣泛、非常具有價值的材料。

碳化硅功率器件在風力發電、工業電源、航空航天等領域已實現成熟應用。伴隨新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等產業的快速發展，功率器件的使用需求大幅增加。

根據 IC Insights《2019 年光電子、傳感器、分立器件市場分析與預測報告》， 2018 年全球功率器件的銷售額增長率為 14%，達到 163 億美元。而 IHSMarkit 數據表明，2018 年碳化硅功率器件市場規模約 3.9 億美元，受新能源汽車龐大需求的驅動，以及電力設備等領域的帶動，預計到 2027 年碳化硅功率器件的市場規模將超過 100 億美元，碳化硅襯底的市場需求也將大幅增長。

快充領域

我們重點聊聊碳化硅于快充領域上的應用，與氮化鎵一樣，碳化硅主要是作為功率電子元件應用于充電產品上。區別在于碳化硅主要應用于大功率尤其是100W以上快充產品，而氮化鎵應用的快充產品包含幾乎所有功率范圍。

工作原理

碳化硅是目前被廣泛關注的第三代半導體，已在快速切換、高溫及高電壓的應用上，進行前期的大量生產。第一個可用的元件是肖特基二極管，之后是結型場效應管及高速切換的功率MOSFET。目前正在開發雙極性晶體管及晶閘管。

與充電器最相關的是就是二極管和MOS管了。碳化硅主要就是用于構成這些元件的，具體來說是構成以上器件的襯底，以取代硅。這個是什么原理呢？

我們以MOS管為例，在該構件里面，碳化硅作為襯底，由于摻入了三價硼離子，導致襯底帶正電，于是我們把這種半導體稱為P型半導體。

然后我們把這個碳化硅襯底與柵極、源極、漏極組裝成MOS管，給它通上高低電平，就能實現直流電到交流電的逆變。為什么說以碳化硅為襯底的MOS管以及IGBT（MOS管與三極管的整合件）性能更強，這是因為，這個元件需要不斷導通和斷接電流，高壓會不斷作用于基底上。

斷開時作用于基底的電壓非常高，一般硅的禁帶寬度（衡量耐受電壓的量）為1.12ev，碳化硅則在3.26ev，是硅的三倍，這意味著。在同樣的電壓下，硅基底的設計面積只需要硅的三分之一。此外，碳化硅同樣具有更好的熱導率、更高的工作溫度以及更高的工作頻率（開關頻率）

我們整理了硅與碳化硅的性能對比表格，一起來看一下。

概括來說，除禁帶寬度的優勢，可以使碳化硅襯底強度更高，耐壓更強。除此之外：

1）更高的耐受溫度，意味著碳化硅的可耐受的高溫環境更廣，應用范圍更大。

2）高出數倍的開關頻率，使它像氮化鎵一樣，能大幅度減小其他元件，尤其是變壓器的體積，從而減小充電產品的體積。

3）更優秀的熱導率，意味著元件工作時的能量轉化率更高，損耗小，而且器件更耐損。還能提高集成電路的元件密度，變相減小充電產品的體積。

總體而言，碳化硅應用于電子產品的元件和優勢與氮化鎵基本相似，都是應用于功率器件中的MOS管、IGBT等開關管類，由于優異的禁帶寬度，更高的耐熱性、更好的熱導率，所以能節約器件規格尺寸以及BOM成本節約成本；并且降低產品的尺寸規格，提升用戶的體驗。

但是碳化硅應用于管類元件有一個短板，就是這類元件更容易發生短路故障。具體原理是碳化硅由于更好的導熱性能往往芯片面積會做得更小，這會使得它的導流密度更高，進而提升短路風險。其次，在短路工況下，由于碳化硅MOS管需要更高的正向柵極偏壓，從而進一步加劇短路時柵極氧化層退化問題。

其他應用

磨料和切割工具

由于金剛砂的耐用性和低成本，在現代寶石加工中作為常用磨料使用。金剛砂憑借其硬度使它在制造業中諸如砂輪切割、搪磨、水刀切割和噴砂等磨削加工過程。將碳化硅粒子層壓在紙上就能制成砂紙和滑板的握帶。

1982年由氧化鋁和碳化硅須晶構成的超強復合材料問世，經過隨后三年的發展這種復合材料走出實驗室成為商品。1985年先進復合材料公司和Greenleaf公司推出了新的商品化切割工具，工具就是由氧化鋁和碳化硅須晶組成的加強型復合材料所制造的。

結構材料

在二十世紀80至90年代，幾個歐洲、日本和美國的高溫燃氣渦輪機研究項目對碳化硅做了研究，項目的目標均打算以碳化硅代替鎳高溫合金制造渦輪機葉片或噴嘴葉片。但這些項目無一實現量產，主要原因在于碳化硅材料的耐沖擊性和斷裂韌度低。

不同于其他陶瓷材料比如氧化鋁和碳化硼，碳化硅可用于制造復合裝甲（比如喬巴姆裝甲）和防彈背心中的陶瓷板。

天文學

碳化硅具備的低熱膨脹系數、高的硬度、剛性和熱導率使其能夠作為天文望遠鏡的鏡面材料。通過化學氣相沉積制造的直徑達3.5米和2.7米的多晶碳化硅圓盤已被分別安裝在赫歇爾空間天文臺和同溫層紅外線天文臺等幾個大型天文望遠鏡上。

催化劑載體

碳化硅本身的抗氧化性質和立方β-SiC所具有的大比表面積使其可作為非均相催化劑的載體。通過稻殼炭化合成的β-SiC已被用于作為非均相催化劑的載體應用于催化諸如正丁烷氧化生成順丁烯二酸酐這類烴類的氧化反應。

石墨烯生長

通過加熱至高溫，可在碳化硅的表面得到外延石墨烯。這種獲取石墨烯的方法被認為有希望實現大規模合成具有實際應用的石墨烯。

材料應用瓶頸

碳化硅元件商品化的主要問題是如何去除缺陷：包括邊緣位錯、螺旋位錯（空心和閉合）、三角形缺陷及基面位錯。因此，雖然有許多研究設法要改善特性，但最早期SiC材料的元件，其反向電壓阻隔能力不好。除了晶體品質外，SiC和二氧化硅的界面問題也影響了SiC MOSFET及IGBT的發展。滲氮已大幅改善了界面問題，不過其機制還不清楚。

2008年已有第一個商品化的JFET，額定1200V，之后是2011年第一個商品化的MOSFET，額定電壓1200 V。SiC的開關以及SiC肖特基二極管有常見的TO-247及TO-220封裝外，許多廠商也開始將SiC裸晶放在功率模組中。

SiC SBD二極管已用在PFC功率因數校正電路上，以及IGBT功率模組中。像是國際集成功率電子系統大會（CIPS）等研討會也會定期報告有關SiC功率元件的技術驅勢。

日本部分新造的大功率交傳鐵路車輛，以碳化硅取代IGBT用于牽引變流裝置（如新干線ALFA-X、EMU3000和E235系），有助進一步減少車輛耗電。

總結

技術的發展離不開材料的創新，從硅基底到碳化硅基底的轉變既是半導體材料的更新換代，也是集成電路的技術突破。如今，第三代半導體的應用潛力還未被全部釋放，應用前景在業內十分被看好。但是正如任何新生事物一樣，碳化硅目前在技術上尚有許多地方不成熟。譬如，碳化硅的晶化程度還有待提升，以及碳化硅元件的閘極驅動電路不對稱的問題也有待解決。

但無論如何，隨著材料應用領域的深入，相信碳化硅的這些問題遲早都會得到解決，畢竟實踐是最好的老師。