碳化硅材料特性及應(yīng)用領(lǐng)域

碳化硅是典型的實(shí)用寬禁帶半導(dǎo)體材料之之一，跟硅和砷化鎵一樣具有典型的半導(dǎo)體特性，被人們稱為繼硅和砷化鎵之后的“第三代半導(dǎo)體”，尤其在制造電力電子器件方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，在半導(dǎo)體已深得人心的一個(gè)很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，很多人對(duì)碳化硅的了解，還僅限于它的高硬度、耐磨和耐高溫特性，因而其實(shí)用價(jià)值在過(guò)去的長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)主要是作為研磨材料應(yīng)用于機(jī)械加工和作為耐火材料應(yīng)用于金屬冶煉。

雖然碳化硅作為半導(dǎo)體材料的應(yīng)用比硅和砷化鎵幾乎晚了半個(gè)世紀(jì)，但早在1824年，瑞典科學(xué)家J.J. Berzelius(1779-1848)在人工合成金剛石的過(guò)程中就已經(jīng)觀察到了它的存在。不過(guò)，由于自然界中天然碳化硅晶體極少，人工合成又極困難，人們?cè)谀莻€(gè)年代對(duì)其不可能有太多了解。直到E.G. Acheson(1856-1931)發(fā)明了碳化物晶體的人工制造技術(shù)之后，人們才開(kāi)始對(duì)其逐漸有所認(rèn)識(shí)。

高飽和電子遷移率(Si的2.5倍)以及高健合能等優(yōu)點(diǎn)，這就使得碳化硅材料可以很好地適用于高性能(高頻、高溫、高功率、抗輻射)電子器件。高的熱導(dǎo)率有利于大功率器件的熱耗散和高密度集成高的載流子飽和遷移速率可以使之應(yīng)用于高速開(kāi)關(guān)器件；高的臨界位移能使碳化硅器件的抗輻射性能優(yōu)于Si器件。

由于碳化硅材料的帶隙很寬(4H型碳化硅在室溫下約為3.26eV)，碳化硅器件能夠在很高的溫度下工作而不至于因?yàn)楸菊鬏d流子激發(fā)導(dǎo)致器件性能失效。碳化硅材料在發(fā)生雪崩擊穿前所能夠忍受的極限電場(chǎng)是硅材料和砷化鎵(GaAs)的5~20倍12。這一高極限電場(chǎng)可以用來(lái)制造高壓、大功率器件。

碳化硅材料具有很高的臨界位移能約為45~90eV。這使得碳化硅材料具有很高的抗輻射能力和抗電磁波沖擊(EMP：ElectroMagnetic Pluse)能力。

表 1 室溫下幾種半導(dǎo)體材料特性的比較

表1列出了碳化硅與主要半導(dǎo)體材料在室溫下的材料參數(shù)。從表中可以看出碳化硅與砷化鎵相對(duì)硅具有更優(yōu)良的特性，因此這兩種材料能夠制作高溫高壓大功率器件。在寬禁帶半導(dǎo)體材料中，碳化硅是最有希望首先取得突破，因?yàn)镾IC是除了Si以外唯一能夠熱氧化生長(zhǎng)Sio₂的半導(dǎo)體，而且SIC器件工藝和設(shè)備都與Si器件有很強(qiáng)的兼容性。碳化硅高的臨界擊穿電場(chǎng)使其漂移區(qū)的電阻減少200倍，從而使高壓器件的導(dǎo)通電壓比目前所有的硅功率器件(IGBT、SBD、PiN)都小得多。

然而難以獲得高質(zhì)量的碳化硅襯底一直是阻礙這一領(lǐng)域發(fā)展的主要難題。隨著1978年的大面積碳化硅籽晶生長(zhǎng)法的出現(xiàn)以及隨后碳化硅薄膜制備技術(shù)的完備，碳化硅材料得到了進(jìn)一步的發(fā)展。隨著碳化硅材料制造工藝的進(jìn)一步發(fā)展，以及制造成本的不斷下降，碳化硅材料將在高溫、高頻、光電子、抗輻射等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景，如表2。

表2 碳化硅(SIC)材料的應(yīng)用領(lǐng)域

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