知识科普:什么是碳化硅

2024-01-30 348

半导体材料发展已有几十年,目前第一代半导体硅Si和锗Ge已到应用瓶颈,随着研究的深入,第一代半导体材料的短板和应用边界逐渐显露出来了。而以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体以其优异的电气特性,为电子器件的性能提升提供了更多的可能性。

认识碳化硅

碳化硅(英语:silicon carbide,carborundum),化学式SiC,俗称金刚砂,宝石名称钻髓,天然矿物为莫桑石,为硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物,碳化硅在大自然以莫桑石这种稀有的矿物的形式存在。碳化硅是目前用途广泛的第三代半导体材料,自然形成的非常稀少,目前主要靠人工合成,碳化硅高纯粉料是采用PVT法生长碳化硅单晶的原料,在超过2000℃的高温下,将碳粉和硅粉通过高温分解成原子,通过温度控制沉积在碳化硅籽晶上形成碳化硅晶体。

材料特性

SiC是由硅(Si)和碳(C)组成的宽禁带半导体。能隙在3.26 eV左右。其结合力非常强,在热、化学、机械方面都非常稳定。SiC存在各种多型体(多晶型体),它们的物理特性值各有不同。下面详细看看碳化硅有哪些详细特性。

物理特性

碳化硅(SiC)外观为坚硬的墨绿色无味粉末,摩尔质量为40.097g·mol⁻¹,密度为3.16 g/cm3(六方碳化硅),熔点为2830 °C。

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化学特性

 

碳化硅(SiC)难溶于水、难溶于乙醇,具有较高的化学惰性。相较于晶体硅具有更高的热电导率、电场击穿强度和最大电流密度,热膨胀系数也非常低。此外碳化硅存在各种多晶型体,比较常见的类型有(β)3C-SiC、4H-SiC、(α)6H-SiC这三种晶型,以下为其结构示意图。

 

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(β)3C-SiC

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4H-SiC

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(α)6H-SiC

 

碳化硅存在着约250种结晶形态。α-碳化硅(α-SiC)是这些多型体中最为常见的,它是在大于1700°C的温度下形成的,具有类似纤锌矿的六方晶体结构。具有类似钻石的闪锌矿晶体结构的β-碳化硅(β-SiC)则是在低于1700°C的条件下形成的。β-碳化硅因其相较α-碳化硅拥有更高的比表面积,所以可用于非均相催化剂的负载体。

 

纯的碳化硅是无色的,工业用碳化硅由于含有铁等杂质而呈现棕色至黑色。晶体上彩虹般的光泽则是因为其表面产生的二氧化硅钝化层所致。

 

 

研发背景

 

碳化硅最早因为质地坚硬,常被用于磨料。在应用过程中,科学家发现碳化硅在应用于电子器件时有着非常不错的性能,随后科学家开始研发大规模人造碳化硅的技术。碳化硅的发展轨迹与氮化镓类似,但是从应用历史的角度而言,碳化硅是氮化镓的前辈。

 

研发历史

 

1810年贝采里乌斯报道的用金属钾还原氟硅酸钾的合成方法。

 

1849年Charles Mansuète Despretz报道的将通电的碳棒埋在沙粒中的合成方法

 

1881年Robert Sydney Marsden报道的在石墨坩埚中用熔融的银溶解硅石的合成方法。

 

1882年Albert Colson在乙烯气氛中加热单质硅的合成方法以及1881年Paul Schützenberger报道的在石墨坩埚中加热硅单质和硅石混合物的合成方法。

 

但真正实现碳化硅的大量制备还是在1890年由爱德华·古德里奇·艾奇逊率先实现的。艾奇逊尝试在铁锅中加热粘土(硅酸铝)和焦炭粉的混合物合成人造钻石的过程中发现了这个合成碳化硅的方法,他将得到的蓝色金刚砂晶体误认为是一种由碳和铝构成的类似刚玉的物质。

 

1893年亨利·莫瓦桑在研究来自亚利桑那州的代亚布罗峡谷陨石样品时发现了罕有的在自然条件下存在的碳化硅矿石,将之命名为莫桑石。莫瓦桑也通过几种方法合成了碳化硅:包括用熔融的单质硅熔解单质碳、将碳化硅和硅石的混合物熔化和在电炉中用单质碳还原硅石的方法。但莫瓦桑在1903年时还是将碳化硅的发现归功于艾奇逊。

 

艾奇逊在1893年2月28日为合成碳化硅粉末的方法申请了专利保护。

 

1907年马可尼公司的雇员兼马可尼的助手Henry Joseph Round通过在碳化硅晶体上施加一定的电压后在阴极上观察到有黄色、绿色和橙色光放出,由此得到了世界上第一个发光二极管。这些实验结果后来在1923年被苏联科学家奥列格·洛谢夫重复证实。

 

应用范围

 

碳化硅器件应用场景广阔。因其高热导性、高击穿电场强度及高电流密度,基于碳化硅材料的半导体器件可应用于汽车、充电设备、便携式电源、通信设备、机械臂、飞行器等多个工业领域。其应用的范围也在不断地普及和深化,是一种应用前景非常广泛、非常具有价值的材料。

 

碳化硅功率器件在风力发电、工业电源、航空航天等领域已实现成熟应用。伴随新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等产业的快速发展,功率器件的使用需求大幅增加。

 

根据 IC Insights《2019 年光电子、传感器、分立器件市场分析与预测报告》, 2018 年全球功率器件的销售额增长率为 14%,达到 163 亿美元。而 IHSMarkit 数据表明,2018 年碳化硅功率器件市场规模约 3.9 亿美元,受新能源汽车庞大需求的驱动,以及电力设备等领域的带动,预计到 2027 年碳化硅功率器件的市场规模将超过 100 亿美元,碳化硅衬底的市场需求也将大幅增长。

 

快充领域

 

我们重点聊聊碳化硅于快充领域上的应用,与氮化镓一样,碳化硅主要是作为功率电子元件应用于充电产品上。区别在于碳化硅主要应用于大功率尤其是100W以上快充产品,而氮化镓应用的快充产品包含几乎所有功率范围。

 

 

 

工作原理

 

碳化硅是目前被广泛关注的第三代半导体,已在快速切换、高温及高电压的应用上,进行前期的大量生产。第一个可用的元件是肖特基二极管,之后是结型场效应管及高速切换的功率MOSFET。目前正在开发双极性晶体管及晶闸管。

 

与充电器最相关的是就是二极管和MOS管了。碳化硅主要就是用于构成这些元件的,具体来说是构成以上器件的衬底,以取代硅。这个是什么原理呢?

 

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我们以MOS管为例,在该构件里面,碳化硅作为衬底,由于掺入了三价硼离子,导致衬底带正电,于是我们把这种半导体称为P型半导体。

 

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然后我们把这个碳化硅衬底与栅极、源极、漏极组装成MOS管,给它通上高低电平,就能实现直流电到交流电的逆变。为什么说以碳化硅为衬底的MOS管以及IGBT(MOS管与三极管的整合件)性能更强,这是因为,这个元件需要不断导通和断接电流,高压会不断作用于基底上。

 

断开时作用于基底的电压非常高,一般硅的禁带宽度(衡量耐受电压的量)为1.12ev,碳化硅则在3.26ev,是硅的三倍,这意味着。在同样的电压下,硅基底的设计面积只需要硅的三分之一。此外,碳化硅同样具有更好的热导率、更高的工作温度以及更高的工作频率(开关频率)

 

我们整理了硅与碳化硅的性能对比表格,一起来看一下。

 

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概括来说,除禁带宽度的优势,可以使碳化硅衬底强度更高,耐压更强。除此之外:

 

1)更高的耐受温度,意味着碳化硅的可耐受的高温环境更广,应用范围更大。

 

2)高出数倍的开关频率,使它像氮化镓一样,能大幅度减小其他元件,尤其是变压器的体积,从而减小充电产品的体积。

 

3)更优秀的热导率,意味着元件工作时的能量转化率更高,损耗小,而且器件更耐损。还能提高集成电路的元件密度,变相减小充电产品的体积。

 

总体而言,碳化硅应用于电子产品的元件和优势与氮化镓基本相似,都是应用于功率器件中的MOS管、IGBT等开关管类,由于优异的禁带宽度,更高的耐热性、更好的热导率,所以能节约器件规格尺寸以及BOM成本节约成本;并且降低产品的尺寸规格,提升用户的体验。

但是碳化硅应用于管类元件有一个短板,就是这类元件更容易发生短路故障。具体原理是碳化硅由于更好的导热性能往往芯片面积会做得更小,这会使得它的导流密度更高,进而提升短路风险。其次,在短路工况下,由于碳化硅MOS管需要更高的正向栅极偏压,从而进一步加剧短路时栅极氧化层退化问题。

 

其他应用

磨料和切割工具

由于金刚砂的耐用性和低成本,在现代宝石加工中作为常用磨料使用。金刚砂凭借其硬度使它在制造业中诸如砂轮切割、搪磨、水刀切割和喷砂等磨削加工过程。将碳化硅粒子层压在纸上就能制成砂纸和滑板的握带。

 

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1982年由氧化铝和碳化硅须晶构成的超强复合材料问世,经过随后三年的发展这种复合材料走出实验室成为商品。1985年先进复合材料公司和Greenleaf公司推出了新的商品化切割工具,工具就是由氧化铝和碳化硅须晶组成的加强型复合材料所制造的。

 

结构材料

 

在二十世纪80至90年代,几个欧洲、日本和美国的高温燃气涡轮机研究项目对碳化硅做了研究,项目的目标均打算以碳化硅代替镍高温合金制造涡轮机叶片或喷嘴叶片。但这些项目无一实现量产,主要原因在于碳化硅材料的耐冲击性和断裂韧度低。

 

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不同于其他陶瓷材料比如氧化铝和碳化硼,碳化硅可用于制造复合装甲(比如乔巴姆装甲)和防弹背心中的陶瓷板。

 

天文学

 

碳化硅具备的低热膨胀系数、高的硬度、刚性和热导率使其能够作为天文望远镜的镜面材料。通过化学气相沉积制造的直径达3.5米和2.7米的多晶碳化硅圆盘已被分别安装在赫歇尔空间天文台和同温层红外线天文台等几个大型天文望远镜上。

 

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催化剂载体

 

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碳化硅本身的抗氧化性质和立方β-SiC所具有的大比表面积使其可作为非均相催化剂的载体。通过稻壳炭化合成的β-SiC已被用于作为非均相催化剂的载体应用于催化诸如正丁烷氧化生成顺丁烯二酸酐这类烃类的氧化反应。

 

石墨烯生长

 

通过加热至高温,可在碳化硅的表面得到外延石墨烯。这种获取石墨烯的方法被认为有希望实现大规模合成具有实际应用的石墨烯。

材料应用瓶颈

 

碳化硅元件商品化的主要问题是如何去除缺陷:包括边缘位错、螺旋位错(空心和闭合)、三角形缺陷及基面位错。因此,虽然有许多研究设法要改善特性,但最早期SiC材料的元件,其反向电压阻隔能力不好。除了晶体品质外,SiC和二氧化硅的界面问题也影响了SiC MOSFET及IGBT的发展。渗氮已大幅改善了界面问题,不过其机制还不清楚。

 

2008年已有第一个商品化的JFET,额定1200V,之后是2011年第一个商品化的MOSFET,额定电压1200 V。SiC的开关以及SiC肖特基二极管有常见的TO-247及TO-220封装外,许多厂商也开始将SiC裸晶放在功率模组中。

 

SiC SBD二极管已用在PFC功率因数校正电路上,以及IGBT功率模组中。像是国际集成功率电子系统大会(CIPS)等研讨会也会定期报告有关SiC功率元件的技术驱势。

 

日本部分新造的大功率交传铁路车辆,以碳化硅取代IGBT用于牵引变流装置(如新干线ALFA-X、EMU3000和E235系),有助进一步减少车辆耗电。

 

总结

 

技术的发展离不开材料的创新,从硅基底到碳化硅基底的转变既是半导体材料的更新换代,也是集成电路的技术突破。如今,第三代半导体的应用潜力还未被全部释放,应用前景在业内十分被看好。但是正如任何新生事物一样,碳化硅目前在技术上尚有许多地方不成熟。譬如,碳化硅的晶化程度还有待提升,以及碳化硅元件的闸极驱动电路不对称的问题也有待解决。

 

但无论如何,随着材料应用领域的深入,相信碳化硅的这些问题迟早都会得到解决,毕竟实践是最好的老师。