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SiC的行业应用产业

采用SiC材料研制的元件种类很多,以下介绍其应用之概况。

(1)高温和高功率半导体元件

SiC材料的能带和高温稳定性使得它在高温半导体元件方面有无可比拟的优势。採用SiC材料製成的MESFET、MOSFET、JFET、BJT等元件的工作温度可达500℃以上,提供工作于极端环境下的电子系统,在军用武器系统、航空航太、石油地质勘探等领域应用广泛。

(2)微波及高频半导体元件

由于碳化硅具有较高的饱和电子速度以及高临界击穿场强,是良好的微波和高频元件材料。已製成fmax达42GHz以上的SiC MESFET。加之高工作温度和高热导率,在军用相控阵雷达、通信广播系统中有明显的优势。美国已将其应用于新研製的 HDTV数位广播系统之中。

(3)短波长发光元件

6H-SiC和3C-SiC的能隙宽度为2.9eV和2.2eV,分别处于蓝、绿光等短波长发光波段,其中高亮度蓝光LED尤其重要,是实现全彩色大面积显示的关健,具有极大的市场,已实现了碳化硅蓝、绿光LED的批量生产。

(4)紫外光敏二极体

美国GE公司採用碳化硅材料实现了可在各种发动机内部工作的紫外光敏二极体,用于监测汽车、飞机、火箭等发动机的燃烧工作状态,并与碳化硅高温积体电路一起构成闭环控制,显着提高发动机工作效率,节约能源,减少污染 。

(5)蓝色镭射二极体

利用碳化硅的结构特性,已研製出了可发蓝光的镭射二极体,它将极大提高高密度资料存储的技术水準、并在未来生物化学战场的探测方面发挥不可缺少的作用。

碳化硅的应用领域广泛,如果碳化硅元件普及,电力转换类器件将会发生巨大变化。 包含了上述提及的混合动力等电动汽车、空调等白色家电,而且还涉及太阳能发电、风力发电、燃料电池等分散电源系统、产业设备以及通用变频器装置和通用开关电源等如图一所示。 在这些领域,电力转换类器件一般使用快恢復二极体(FRD)作为耐压600V以上的二极体,电晶体使用IGBT注2)。如果将这些元件换成SiC肖特基势垒二极体(SBD)及MOSFET,便可将电力转换类器件的电力损失降至一半左右。正在开发碳化硅元件的叁菱电机表示,有时可最大减少70%。塬因是使用碳化硅元件的二极体及MOSFET可降低导通损失和开关损失。损失降低后发热量就会减少,由此有可实现电力转换类器件的小型化。因此,在日本方面,包含本田、东芝、叁菱、日产等许多大产纷纷投入功率元件的开发及应用,装备在其旗下产品的马达、油电混混和车辆、变频器控制等应用。

  图一 SiC元件在功率电子产品的应用。

SiC材料特性及制备方法:

碳化硅是一种Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料,具有多种同素异构类型。其典型结构可分为两类,一类是闪锌矿结构的立方碳化硅晶型,称为3C-SiC或β-SiC,这里3指的是週期性次序中面的数目;另一类是六角型或菱形结构的大週期结构其中典型的有6H-SiC、4H-SiC、15R-SiC等,统称为α-SiC。

一般来说,基本的SiC的晶体是四颗碳塬子和一颗硅塬子交替以sp3所键结而成的四角型晶体,如图二所示,碳塬子和碳塬子之间的键结距离为3.08 A,碳塬子和硅塬子之间的键结距离为1.89 A。依各种不同塬子堆叠方式,会有不同的SiC晶体型态,目前已知的型态就高达170种晶体型态。不同晶体型态的碳化硅其性质也有所不同,如前述的3C、6H、4H、15R,C表示立方体(cubic)结构,H表示六角型(hexagonal)结构,R表示菱形六面体(rhombohedron),数字表示堆叠的週期排列个数。图叁显示各种不同的碳化硅晶体型态堆叠的方式,3C是以ABC的顺序堆叠而成,4H-SiC和6H-SiC则分别以ABCB和ABCACB的不同顺序堆叠而成。

图二 SiC单位晶体结构

在半导体领域最常用的是4H-SiC和6H-SiC两种,碳化硅与其他半导体材料具有相似的特性,4H-SiC的饱和电子速度是 Si的两倍,从而为SiC元件提供了较高的电流密度和较高的电压。而6H-SiC和4H-SiC最大的差异在于4H-SiC的电子迁移率是6H-SiC的两倍,这是因为4H-SiC有较高的水平轴(a-aixs)的移动率。

在材料的制备上,碳化硅晶体的获得最早是用Acheson方法将石英砂与碳混合放入管式炉中在2400~2600 ℃反应生成。这种方法只能得到尺寸很小的多晶碳化硅。到了1955年,Lely用无晶种昇华法生长出了针状3c—SiC孪晶。在这种方法中,晶体品质很高,例如其微管等缺陷的密度与其他生长方法相比至少低一个数量级。此法至今还被用于生长高品质的SiC单晶。不过,Lely法生长的晶体尺寸太小 (目前最大仅能达到200 mm2),且形状不规则,一般为针状。70年代末至80年代初,Tairov和Tsvetkov等对Lely法进行了改进,实现了晶种昇华生长。晶种昇华技术又称为物理气相传输技术(physical vapor transport,PVT),它和 Lely法的区别在于增加一个晶种,从而避免了多晶成核,更容易对单晶生长进行控制。该法现在已成为生长碳化硅体单晶的标準方法,目前生长商业化碳化硅晶片均採用PVT技术。影响PVT法生长碳化硅单晶的因素主要有塬料、晶种、温度、温度梯度以及载体气压。由于单晶碳化硅块材的生长控制不易,需要在高温(高于2200 ℃)下进行,特别是对于低缺陷或无缺陷的4H-SiC、6H-SiC的单晶结构块材,因此近几年研究焦点除了致力于发展低成本、无缺陷的碳化硅晶圆,如何在硅基材上生长单晶碳化硅薄膜材料吸引许多注意焦点的研究课题。

图三 各种不同SiC晶体型态的堆叠模型

SiC/Si的制作:

碳化硅/ 硅结构生长最主要生长方法为化学气相沈积(Chemial Vapor Deposition,CVD)为主,但开发出来的大都为非晶、多晶α-SiC薄膜或者3C-SiC薄膜为主;另有分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy,MBE),所生长薄膜厚度有限,且生长速率缓慢。亦有採用物理气象沈积法(Physics Vapor Deposoition, PVD)以SiC为靶材,利用Ar溅镀或者利用Si为靶材以CH4及Ar的反应性溅镀及离子批覆反应(ion-plating reaction)等来成长薄膜,但是PVD批覆的薄膜均匀性(uniformity)及阶梯覆盖率(step coverage)比CVD法差,因此在Si基材上生长碳化硅薄膜仍以CVD法为主。

自从NASA的Lewis 在1983年报导了在Si基材上製备出可重复生长大面积β-SiC薄膜以来,Powell J A、K Sasaki K及Nishno等研究小组均报导了在Si基材上生长单晶3C-SiC薄膜。气源分子束磊晶(GSMBE)也是低温条件製备单3C-SiC膜的有效方法。另有研究显示採用Si2H6和C2 H4做生长源在P型(100)Si基材上1050 ℃温度下即可生长出3C-SiC;以及用C2H2束先对(111)Si基材进行碳化生长一层缓衝层,900 ℃即可在碳化层上製备出多晶结构3C-SiC。而其他诸如Chiu et al.、Hong et al. 等等採用低压化学器相沈积(Low Chemical vapor deposition, LPCVD),Yu et al.採用热灯丝化学气相沈积(Hot-filament chemical vapor deposition, HFCVD),Madapure et al. 採用快速升温化学气相沈积(Rapid thermal chemical vapor deposition, RTCVD),Nakamatsu et al. 採用有雷射化学气相沈积(Laser chemical vapor deposition, LCVD),以及机金属化学气相沈积(Metal organic vapor deposition, MOCVD)的应用等等,皆为採用CVD方式在硅基材上製作碳化薄膜,一般来说低于1000 ℃以下製程大都为多晶结构薄膜,而单晶结构需要在1300 ℃以上,但多具有微管道(micropipe)或者缺陷(defect)存在。

NanoClub 于2008年已设计出一种应用Smart-Cut Process 塬理之新式薄膜转移方法,除能克服製程中热膨胀係数带来巨大热应力问题之外,也克服键合强度问题;同时也不需共植其他元素,造成化学污染来製作 SiC/Si 材料。2010年预定将此技术实际应用于製作SiC/Si 晶圆材料。


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