刘金婷 贺瑞 刘瑞莹 段兵青 李娜 赵路

摘   要：科技的发展促进了各行各业应用技术的创新与进步。近年来，世界范围内的新材料研发一直是科研热点所在。运用新兴的物理材料不仅能够改善特定领域的传统应用与发展方式，还能够极大程度的提升生产、制造等实际应用角度的效率。本文主要针对碳化硅半导体材料的本质属性，新材料特点和优势展开讨论与分析，结合碳化硅材料的应用背景及其在半导体行业的主导性地位进行研究，为新型半导体材料的研发与实际应用提供一定参考依据。

关键词：碳化硅  半导体材料  应用前景  SiC发展

中图分类号：TN304                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（a）-0074-02

以半导体材料为代表的新材料研发与应用技术攻关工作如今已进入快速发展的时期。历经多年的科研与试验探索，半导体材料已经进入第三代研发阶段。回顾半导体材料的发展过程，第一代“元素半导体”以硅基和锗基为主，被大量应用于计算机等载体的数据运算和存储过程。总体评价以锗基半导体材料的技术更为成熟和稳定，实际应用量也更大。接下来是第二代的化合物半导体，一般认为是以砷化镓、磷化铟为基础而构成的III-V 族化合物。这类半导体材料相较于第一代而言具有更加稳定的数据传输性能，因此被广泛应用于各类半导体激光器、光纤通信、宽带传输等对信息化传输和存储能力要求较高的领域，应用之后立即引发了传统通信和信息传输领域的革命。目前主流应用的是第三代半导体材料，典型代表包括了以氮化镓、氮化铟、氮化铝和碳化硅等为基础构成的III-V族化合物半导体。第三代半导体拥有更加理想的光电转化能力和微波信号传输效率，这些优良的特性使得第三代半导体在照明、显示、通讯等领域发挥着巨大作用。需要特别指出的是，本文的主要研究对象碳化硅SiC即为主流第三代半导体蓝绿光LED的主要构成材料。

1  碳化硅材料的发展历程

关于碳化硅的发现及相关半导体研究的历史最早可以追溯到1824年。当时的瑞典科学家Berzelius在人工合成金刚石的实验中意外发现了碳化硅这一物质。但毕竟碳化硅在自然界存量极少，没能引起足够的关注。在1885年，另一位化学家Acheson在石英砂与碳的混合加热过程中，高温生成了SiC晶体，这也是人类历史上首次制备纯净的碳化硅。再后来的1959年，一位荷兰科学家提出了一种通过升华的方式让单晶体生长的方法，随后又在1978年被俄罗斯科学家进行了改良和优化。很快在1979年，以碳化硅为主要材料的蓝色发光二极管被发明了出来。直到现在，在后续的研发和应用过程中，碳化硅以各种形态和应用方式在电子信息存储、传输和数据通讯等相关行业内发挥了巨大的作用，凭借其稳定的化学特性和优秀的半导体材料特质，在半导体材料领域获得了极大的发展空间。

2  碳化硅的晶体结构特点与优势

碳化硅SiC的结晶结构属于具有较好稳定性的典型共价键结构。在自然界中几乎不存在纯净的碳化硅化合物。SiC本身具有α和β两种晶体形态，其分别对应的晶体结构决定了其立方晶格的组成方式。多变的组成结构让碳化硅拥有100余种多型体。在众多的晶体结构当中，以6h多形体在工业上的应用最为普及和广泛。碳化硅在温度低于1600℃时能够以β-SiC的形式存在，并且其形态会随着温度的变化而变化。当温度在2000℃左右时，即可生成4H-SiC，温度达到2100℃左右时，15R和6H的多型体开始出现。

碳化硅的原子构成结构和结晶形态决定了其有较好的稳定性，同时能耐受较高的温度。这就为碳化硅器件在高温电子工作中的应用创造了可能性和适用条件。碳化硅本身属于一种宽带隙半导体，其不同的结晶状态对应有不同的带隙。在实际应用中，即可表现为不同颜色的发光材料。利用这一特性，可以将碳化硅半导体材料用于制作led发光二极管并能够实现蓝色和绿色等多种颜色的发光功用。

根据碳化硅所具有的多型体晶格及对应的半导体特性的差异，可以根据实际应用的需求选择相应的碳化硅多型体进行匹配应用。在不同多型体晶格间进行筛选，选择具有良好稳定性和满足实际应用需求的异质复合结构和超晶格，以便于获得器件的最佳性能，实现碳化硅半导体材料的高效利用。以上文提到的6H-SiC为例，它拥有所有碳化硅晶格结构中最好的稳定性，因此更适用于制造光电子器件。而P-SiC相对来说更加活泼，它拥有更高的电子迁移速率。电子在传播和移动过程中的漂移速度满足击穿电场的最低要求，因此更适宜制造高温、大功率的高频电子元器件。另外，在其他一些薄膜类材料的衬底方面也有着理想的应用效果。

3  碳化硅材料的发展前景

碳化硅凭借其在高温、高压、高频等极端特殊环境下的稳定表现和优秀性能赢得了更加广阔的发展空间。现阶段，碳化硅及其半导体材料制品已成为最受关注的半导体材料之一，在一些交流-直流转换器等电源装置中得到了广泛的应用。碳化硅材料本身具有适应高功率转换且运行能耗较低的特性。因此，这种低能耗的半导体材料与清洁能源配合使用就能够更大程度地达到环境友好型能源方式的转变。在深井钻探，太阳能逆变器，风能逆变器以及以电力驱动的汽车和混合动力汽车等相关应用中都能够发挥较好的效果。同时，在以工业驱动为代表的一些轻轨牵引类的大功率电源转换领域的应用也较为常见。

碳化硅半导体材料应用的领域和扮演的角色都十分多样。其在新能源汽车、轨道交通、智能电网等电力相关的领域都存在着巨大潜力。随着当前全球范围内对新型半导体材料的需求量逐渐攀升，一些轻量化、高转换效率、低发热量的半导体材料已经成为市场需求的典型代表。而碳化硅半导体材料恰恰满足以上这些条件，它能够在功率器件中取代传统的单质硅而为行业的发展带来新的推动力。伴随着国家对新能源汽车及相关大功率电源转换项目的需求量增加，预计在2016—2020年间，设立国家电网服务的电动汽车充电站一万个以上，大力推动“四纵四横”的电动汽车充电网络建设，以此满足新能源汽车的电力供应基本保障。在这样的形势和背景之下，碳化硅功率器件必将迎来新的发展契机。

全球范围内的碳化硅材料市场以美国的一些公司为行业领先者，其拥有的碳化硅相关材料专利占市场的比重较大。此外，欧洲和日本部分企业在近年内也陆续推出了以50～75mm碳化硅单晶为主的生产计划，以此提前在碳化硅市场中占据有利的位置。视线转到我国，虽然对碳化硅的市场需求量巨大，全国总量可达全球使用量的一半以上。但我国的碳化硅产业发展仍需要进一步完善和壮大。国内主要从事碳化硅材料及器件研发和制造的多数都是高校和科研院所。即使投入经费十分可观，但在关键技术的攻关上还需要进一步加强。

4  结语

碳化硅凭借其优良的物理化学性质获得了广泛的应用，迅速占领了半导体材料市场的半壁江山。随着生产成本的不断下降，优异的性能让碳化硅在功率器件的行业中实现了对硅单质半导体的逐步取代。而面对世界范围内发展空间巨大的碳化硅半导体市场，我国需要尽快提升研发实力，完善碳化硅半导体的发展体系。

参考文献

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