SiC的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

　　採(cǎi)用SiC材料研製的元件種類很多，以下介紹其應(yīng)用之概況。

　?。?）高溫和高功率半導(dǎo)體元件

　　SiC材料的能帶和高溫穩(wěn)定性使得它在高溫半導(dǎo)體元件方面有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。採(cǎi)用SiC材料製成的MESFET、MOSFET、JFET、BJT等元件的工作溫度可達(dá)500℃以上，提供工作于極端環(huán)境下的電子系統(tǒng)，在軍用武器系統(tǒng)、航空航太、石油地質(zhì)勘探等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

　　（2）微波及高頻半導(dǎo)體元件

　　由于碳化硅具有較高的飽和電子速度以及高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，是良好的微波和高頻元件材料。已製成fmax達(dá)42GHz以上的SiC MESFET。加之高工作溫度和高熱導(dǎo)率，在軍用相控陣?yán)走_(dá)、通信廣播系統(tǒng)中有明顯的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)已將其應(yīng)用于新研製的 HDTV數(shù)位廣播系統(tǒng)之中。

　　（3）短波長(zhǎng)發(fā)光元件

　　6H-SiC和3C-SiC的能隙寬度為2．9eV和2．2eV，分別處于藍(lán)、綠光等短波長(zhǎng)發(fā)光波段，其中高亮度藍(lán)光LED尤其重要，是實(shí)現(xiàn)全彩色大面積顯示的關(guān)健，具有極大的市場(chǎng)，已實(shí)現(xiàn)了碳化硅藍(lán)、綠光LED的批量生產(chǎn)。

　?。?）紫外光敏二極體

　　美國(guó)GE公司採(cǎi)用碳化硅材料實(shí)現(xiàn)了可在各種發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工作的紫外光敏二極體，用于監(jiān)測(cè)汽車、飛機(jī)、火箭等發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒工作狀態(tài)，并與碳化硅高溫積體電路一起構(gòu)成閉環(huán)控制，顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，節(jié)約能源，減少污染 。

　　（5）藍(lán)色鐳射二極體

　　利用碳化硅的結(jié)構(gòu)特性，已研製出了可發(fā)藍(lán)光的鐳射二極體，它將極大提高高密度資料存儲(chǔ)的技術(shù)水準(zhǔn)、并在未來(lái)生物化學(xué)戰(zhàn)場(chǎng)的探測(cè)方面發(fā)揮不可缺少的作用。

　　碳化硅的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如果碳化硅元件普及，電力轉(zhuǎn)換類器件將會(huì)發(fā)生巨大變化。 包含了上述提及的混合動(dòng)力等電動(dòng)汽車、空調(diào)等白色家電，而且還涉及太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等分散電源系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)設(shè)備以及通用變頻器裝置和通用開(kāi)關(guān)電源等如圖一所示。 在這些領(lǐng)域，電力轉(zhuǎn)換類器件一般使用快恢復(fù)二極體（FRD）作為耐壓600V以上的二極體，電晶體使用IGBT注2）。如果將這些元件換成SiC肖特基勢(shì)壘二極體（SBD）及MOSFET，便可將電力轉(zhuǎn)換類器件的電力損失降至一半左右。正在開(kāi)發(fā)碳化硅元件的叁菱電機(jī)表示，有時(shí)可最大減少70％。塬因是使用碳化硅元件的二極體及MOSFET可降低導(dǎo)通損失和開(kāi)關(guān)損失。損失降低后發(fā)熱量就會(huì)減少，由此有可實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換類器件的小型化。因此，在日本方面，包含本田、東芝、叁菱、日產(chǎn)等許多大產(chǎn)紛紛投入功率元件的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，裝備在其旗下產(chǎn)品的馬達(dá)、油電混混和車輛、變頻器控制等應(yīng)用。

　　圖一 SiC元件在功率電子產(chǎn)品的應(yīng)用。（資料來(lái)源：Yole developpment）

　　SiC材料特性及制備方法

　　碳化硅是一種Ⅳ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體材料，具有多種同素異構(gòu)類型。其典型結(jié)構(gòu)可分為兩類，一類是閃鋅礦結(jié)構(gòu)的立方碳化硅晶型，稱為3C-SiC或β-SiC，這里3指的是週期性次序中面的數(shù)目；另一類是六角型或菱形結(jié)構(gòu)的大週期結(jié)構(gòu)其中典型的有6H-SiC、4H-SiC、15R-SiC等，統(tǒng)稱為α-SiC。

　　一般來(lái)說(shuō)，基本的SiC的晶體是四顆碳塬子和一顆硅塬子交替以sp3所鍵結(jié)而成的四角型晶體，如圖二所示，碳塬子和碳塬子之間的鍵結(jié)距離為3.08 A，碳塬子和硅塬子之間的鍵結(jié)距離為1.89 A。依各種不同塬子堆疊方式，會(huì)有不同的SiC晶體型態(tài)，目前已知的型態(tài)就高達(dá)170種晶體型態(tài)。不同晶體型態(tài)的碳化硅其性質(zhì)也有所不同，如前述的3C、6H、4H、15R，C表示立方體（cubic）結(jié)構(gòu)，H表示六角型（hexagonal）結(jié)構(gòu)，R表示菱形六面體（rhombohedron），數(shù)字表示堆疊的週期排列個(gè)數(shù)。圖叁顯示各種不同的碳化硅晶體型態(tài)堆疊的方式，3C是以ABC的順序堆疊而成，4H-SiC和6H-SiC則分別以ABCB和ABCACB的不同順序堆疊而成。

　　圖二 SiC單位晶體結(jié)構(gòu)

　　圖三 各種不同SiC晶體型態(tài)的堆疊模型

　　在半導(dǎo)體領(lǐng)域最常用的是4H-SiC和6H-SiC兩種，碳化硅與其他半導(dǎo)體材料具有相似的特性，4H-SiC的飽和電子速度是 Si的兩倍，從而為SiC元件提供了較高的電流密度和較高的電壓。而6H-SiC和4H-SiC最大的差異在于4H-SiC的電子遷移率是6H-SiC的兩倍，這是因?yàn)?H-SiC有較高的水平軸（a-aixs）的移動(dòng)率。

　　在材料的制備上，碳化硅晶體的獲得最早是用Acheson方法將石英砂與碳混合放入管式爐中在2400～2600 ℃反應(yīng)生成。這種方法只能得到尺寸很小的多晶碳化硅。到了1955年，Lely用無(wú)晶種昇華法生長(zhǎng)出了針狀3c—SiC孿晶。在這種方法中，晶體品質(zhì)很高，例如其微管等缺陷的密度與其他生長(zhǎng)方法相比至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)。此法至今還被用于生長(zhǎng)高品質(zhì)的SiC單晶。不過(guò)，Lely法生長(zhǎng)的晶體尺寸太小 （目前最大僅能達(dá)到200 mm2），且形狀不規(guī)則，一般為針狀。70年代末至80年代初，Tairov和Tsvetkov等對(duì)Lely法進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了晶種昇華生長(zhǎng)。晶種昇華技術(shù)又稱為物理氣相傳輸技術(shù)（physical vapor transport，PVT），它和 Lely法的區(qū)別在于增加一個(gè)晶種，從而避免了多晶成核，更容易對(duì)單晶生長(zhǎng)進(jìn)行控制。該法現(xiàn)在已成為生長(zhǎng)碳化硅體單晶的標(biāo)準(zhǔn)方法，目前生長(zhǎng)商業(yè)化碳化硅晶片均採(cǎi)用PVT技術(shù)。影響PVT法生長(zhǎng)碳化硅單晶的因素主要有塬料、晶種、溫度、溫度梯度以及載體氣壓，圖四為SiC PVT生長(zhǎng)法的示意圖。

　　圖四 SiC PVT生長(zhǎng)法制程示意圖（資料來(lái)源：Mathmatisches Institut）

　　由于單晶碳化硅塊材的生長(zhǎng)控制不易，需要在高溫（高于2200 ℃）下進(jìn)行，特別是對(duì)于低缺陷或無(wú)缺陷的4H-SiC、6H-SiC的單晶結(jié)構(gòu)塊材，因此近幾年研究焦點(diǎn)除了致力于發(fā)展低成本、無(wú)缺陷的碳化硅晶圓，如何在硅基材上生長(zhǎng)單晶碳化硅薄膜材料吸引許多注意焦點(diǎn)的研究課題。

　　SiC/Si的制作

　　碳化硅/ 硅結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)最主要生長(zhǎng)方法為化學(xué)氣相沈積（Chemial Vapor Deposition，CVD）為主，但開(kāi)發(fā)出來(lái)的大都為非晶、多晶α-SiC薄膜或者3C-SiC薄膜為主；另有分子束磊晶（Molecular Beam Epitaxy，MBE），所生長(zhǎng)薄膜厚度有限，且生長(zhǎng)速率緩慢。亦有採(cǎi)用物理氣象沈積法（Physics Vapor Deposoition， PVD）以SiC為靶材，利用Ar濺鍍或者利用Si為靶材以CH4及Ar的反應(yīng)性濺鍍及離子批覆反應(yīng)（ion-plating reaction）等來(lái)成長(zhǎng)薄膜，但是PVD批覆的薄膜均勻性（uniformity）及階梯覆蓋率（step coverage）比CVD法差，因此在Si基材上生長(zhǎng)碳化硅薄膜仍以CVD法為主。

　　自從NASA的Lewis 在1983年報(bào)導(dǎo)了在Si基材上製備出可重復(fù)生長(zhǎng)大面積β-SiC薄膜以來(lái)，Powell J A、K Sasaki K及Nishno等研究小組均報(bào)導(dǎo)了在Si基材上生長(zhǎng)單晶3C-SiC薄膜。氣源分子束磊晶（GSMBE）也是低溫條件製備單3C-SiC膜的有效方法。另有研究顯示採(cǎi)用Si2H6和C2 H4做生長(zhǎng)源在P型（100）Si基材上1050 ℃溫度下即可生長(zhǎng)出3C-SiC；以及用C2H2束先對(duì)（111）Si基材進(jìn)行碳化生長(zhǎng)一層緩衝層，900 ℃即可在碳化層上製備出多晶結(jié)構(gòu)3C-SiC。而其他諸如Chiu et al.、Hong et al. 等等採(cǎi)用低壓化學(xué)器相沈積（Low Chemical vapor deposition， LPCVD），Yu et al.採(cǎi)用熱燈絲化學(xué)氣相沈積（Hot-filament chemical vapor deposition， HFCVD），Madapure et al. 採(cǎi)用快速升溫化學(xué)氣相沈積（Rapid thermal chemical vapor deposition， RTCVD），Nakamatsu et al. 採(cǎi)用有雷射化學(xué)氣相沈積（Laser chemical vapor deposition， LCVD），以及機(jī)金屬化學(xué)氣相沈積（Metal organic vapor deposition， MOCVD）的應(yīng)用等等，皆為採(cǎi)用CVD方式在硅基材上製作碳化薄膜，一般來(lái)說(shuō)低于1000 ℃以下製程大都為多晶結(jié)構(gòu)薄膜，而單晶結(jié)構(gòu)需要在1300 ℃以上，但多具有微管道（micropipe）或者缺陷（defect）存在。

　　NanoClub 于2008年已設(shè)計(jì)出一種應(yīng)用Smart-Cut Process 塬理之新式薄膜轉(zhuǎn)移方法，除能克服製程中熱膨脹係數(shù)帶來(lái)巨大熱應(yīng)力問(wèn)題之外，也克服鍵合強(qiáng)度問(wèn)題；同時(shí)也不需共植其他元素，造成化學(xué)污染來(lái)製作 SiC/Si 材料。2010年預(yù)定將此技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于製作SiC/Si 晶圓材料。