SiC材料及器件的应用发展前景.pdf

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1、doi:10.3969/j.issn 0253?9608.2011.01.007SiC 材料及器件的应用发展前景王守国?张 岩!?副教授,!教授,哈尔滨工业大学深圳研究生院电子与信息工程学科部,深圳 518055;?西北大学信息与技术学院,西安 710127关键词 SiC 半导体器件 材料 晶片 工艺 SiC 材料是第三代半导体材料,由于可用于军事领域,国外限制该产品的出口。作者首先阐述了 SiC 材料的基本特性,介绍了 SiC 晶体的生长技术及晶体供应商,尤其是国内 SiC 晶体材料的研制现状,最后评述 SiC 器件的应用领域和市场前景,并指出中国应建立 SiC材料及器件研制和应用的产业链。

2、1 SiC 材料的特点、结构及应用在陨石和地壳中虽有少量 SiC(silicon carbide,碳化硅)存在,但迄今尚未找到可供开采的矿源。工业用 SiC于1891 年研制成功,由于其化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好,最早的用途是研磨材料。目前 SiC 的主要应用领域有:?利用其硬度高、切削力强的特点,作为磨料可用来做磨具,如砂轮、磨头等,广泛用在多种行业,如:玉器珠宝的抛光、玻璃石材、合金、电子元件等的研磨及抛光、太阳能电池基板的切割、建筑筑路、服装行业(牛仔布喷砂)、美容工具和砂轮的制造等。!利用其耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击等特点,作为高温间接加热材料和冶金脱

3、氧剂等,制成的高级耐火材料有耐热、体积小、重量轻、强度高和节能效果好等优点。低品级碳化硅(含 SiC 约 85%)是极好的脱氧剂,用它可加快炼钢速度,并便于控制化学成分,提高钢的质量。以上用途的 SiC 材料又叫金钢砂或耐火砂,分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种,均为六方晶体(?SiC)。黑碳化硅,有金属光泽,含 SiC 95%以上,强度比绿碳化硅大,但硬度较低。绿碳化硅,含SiC 97%以上,主要用于磨硬质含金工具。它们的硬度都介于刚玉和金刚石之间。中国是以上用途的 SiC 材料的生产大国,在国际市场上对其价格有控制作用,产地主要分布在甘肃、宁夏、青海、新疆、河南、四川、贵州、湖北等地区。全国黑

4、碳化硅产能约 100 万吨左右,其中甘肃地区约占 50%,宁夏约占 25%,其他地区黑碳化硅产能约占 25%。绿碳化硅产能在 55 万吨左右,其中青海、四川、新疆为主产区,产能占 80%以上。2010 年,中国有关部委着力开展提升优化传统产业、抑制过剩产能扩张、开展节能降耗、减排治污、淘汰落后产能等活动,对电价、行业准入标准进行相应调整,不再审批、核准、备案高耗能、高污染项目和产能过剩行业扩大产能的项目,这或许会推动 SiC 成本增加,价格走高。SiC 材料的第三种用途是用于制造半导体的高纯度单晶材料,材料的生长和器件的制备是高新技术产业。与硅(Si)和砷化镓(GaAs)为代表的传统半导体材料

5、相比,SiC 半导体材料是第三代半导体材料,具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,如表 1 所示,可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求,因而是半导体材料领域最有前景的材料之一。SiC 在不同物理化学环境下能形成不同的晶体结构,这些成分相同、形态、构造和物理特性有差异的晶体称为同质多象变体(多晶型)。纯 SiC 是无色透明的晶体,因所含杂质的种类和含量不同,而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色,透明度随其纯度不同而异。SiC 晶体结构分为六方或菱面体的?SiC 和立方体的?SiC。?SiC 由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变

6、体,已发现 200 余种,有 2 H?SiC,4 H?SiC,6 H?SiC等。?SiC 于 2 100 以上时转变为?SiC,3 C?SiC 就是?SiC。SiC 多象变体是由数字和符号组成,其中 C,H,R分别代表立方、六方、菱形等晶格结构,字母前的数字代表堆积周期中 SiC 原子的密排层数目。3C 就代表 SiC变体是由周期为 3 层的 SiC 原子密排为立方晶格结构,4H 代表 SiC 变体是由周期为 4 层的原子密排形成的六方晶格结构,15R代表SiC 变体是由周期为15的原子#42#Chinese Journal of Nature Vol.33 No.1 Progress表 1

7、SiC 各种晶型的特性300 K3C?SiC2H?SiC4H?SiC6H?SiC摩尔质量(g#mol-1)40.09740.09740.09740.097密度(g#cm-3)3.223.223.263.03熔点()2 7302 7302 7302 730禁带宽度(eV)2.23.3303.233.0晶格常数(nm)a 0.43595a 0.3080c 1.5117a 0.3073b 1.0053a 0.3073b 1.0053介电常数9.7210.329.79.7击穿电场(V#cm-1)1062.2 1062.4 106电子迁移率(cm2#V-1#s-1)1 0001 020600空穴迁移率(

8、cm2#V-1#s-1)4012040热导率(W#cm-1#K-1)4.94.94.94.9电子饱和漂移速度(cm#s-1)2.0 1072.0 1072.0 107层密排堆积形成的菱形结构。图 1 是 4H?SiC 的三维立体结构1。图 1 由两层 C(黑)和 Si(白)组成的六方结构的4H?SiC利用其良好的导热性,SiC 器件应用在航空、航天探测、核能开发、卫星、石油和地热钻井勘探、汽车发动机等需要高温(350 500 )的工作环境中;利用其宽禁带和高化学稳定性,SiC 器件被应用在抗辐射领域;利用其高电子饱和漂移速度,高频和微波 SiC 器件具有不可替代的优势;利用其具有大的击穿电场,

9、高功率 SiC 器件在雷达、通信和广播电视领域具有重要的应用前景。此外,由于 SiC 晶体与氮化镓(GaN)晶体在晶格和热膨胀系数上相匹配,以及其具有优良的热导率,SiC 半导体晶片也成为制造大尺寸、超高亮度白光和蓝光 GaN LED(light emitting diode,发光二极管)和 LD(laser diode,激光二极管)的理想衬底材料,成为光电行业的关键基础材料之一。2 SiC 晶体生长技术及供应商SiC 晶体的生长历史已经超过百年,从最初的小规模实验室研究发展到大规模的量产,有 Acheson 工艺、Lely 工艺、改进 Lely 工艺、外延生长法、MBE(molecu?lar

10、 beam epitaxy,分子束外延法)和 CVD(chemical va?por deposition,化学气相淀积法)等方法2。根据外延介质的不同,有同质和异质外延法,前者有在 SiC 单晶衬底材料上的化学气相淀积法,后者有在 Si 衬底上的SiC 生长法。Acheson 工艺是最早使用的 SiC 晶体制备方法,将硅石、碳、木屑、食盐等混合料放入石墨舟中加热到最高2 700 得到。1955 年,Lely 在理论和技术上取得重大突破,使用两层石墨舟,如图 2(a)所示,外层的坩埚加热到 2 500 ,SiC 透过里层的多空石墨升华进入内层形成晶体。Lely 法生长的晶体有尺寸太小、形状不规

11、则等图 2 SiC 晶体Lely 生长法(a)和改进的 Lely 生长法(b)#43#自 然 杂 志 第 33 卷第 1 期科技进展 缺点,一般为针状。Tairov 和 Tsvetkov 等在 1978 年对Lely 法进行了改进,如图 2(b)所示,SiC 源在石墨舟的底部,在这里加热温度达 2 200 ,而在顶部温度较低并放置籽晶,形成的温度梯度有 20 40 /cm,在这里形成 SiC 晶体。这种方 法又称为 PVT(physical vaportransport,物理气相传输法),它和 Lely 法的区别在于增加一个籽晶,从而避免了多晶成核,更容易对单晶生长进行控制。1987 年,生长

12、商业化 SiC 晶片就采用此法。MBE 法有利于进行异质外延生长,此法具有成本高、生 长 速度 低 等 缺点。使 用 GSMBE(gas sourceMBE)法在 Si(111)衬底上制备 3C?SiC 材料,影响 SiC单晶质量的因素主要有原料、籽晶、加热腔温度场、温度梯度以及载体气压等。由于具有军事方面的用途,SiC 晶片被某国作为限制销售商品而对中国禁止出售。目前全球主要 SiC 晶片制造商是美国 Cree 公司(NASDAQ 上市),是全球SiC 晶片行业的先行者,在 2007 年就可提供商用无微管缺陷的 100 mm(4 英寸)SiC 衬底片,2010 年 8 月展示了其新成果,15

13、0 mm(6 英寸)的 SiC 衬底片,每平方厘米微管密度小于 10 个。美国 Dow Corning 公司,其化合物半导体方案赢得美国海军 SiC 开发合同,可提供 100mm SiC 衬底片。美国 II?V 公司,其宽禁带材料部可提供 50 mm,75 mm 和 100 mm 的SiC 衬底片。1996 年成立的德国 SiCrystal AG 公司(2000 年与 Siemens 公司所有的 SiC 公司合并),是欧洲的 SiC 供应商,最大尺寸可提供 100 mm SiC 衬底片。日本新日铁公司 2009 年开始提供 50 100 mm SiC 衬底片,虽然起步晚但销售计划远大,计划 2

14、015 年前后使年销售额规模达 100 亿日元,即成为业界第二。目前,以美国 Cree 为代表的三家美国公司(Cree,Dow Corning,II?VI)占有全球 90%95%的产量,其中Cree 公司占了全球 85%的产量,由于一家独大和产品供不应求,Cree 公司控制了国际碳化硅晶片的市场价格和质量标准。近年来,美国 II?VII 公司和 Dow Coning公司计划扩大产能,以增加在急剧增长的碳化硅半导体市场中的市场份额,同时各国 SiC 供应商积极与下游产业外延层晶体生产公司和晶片应用公司建立产业联盟。面对 SiC 晶片的高昂价格和巨大的应用需求以及急剧增长的市场潜力,依托中国科学院

15、物理所的技术支持,天科合达蓝光半导体有限公司(TankeBlue Semicon?ductor)在 2006 年 9 月成立,在中国具有自主知识产权的 SiC 晶体生长工艺的基础上,研发出第二代 SiC 晶体生长炉,在国内首次建立了一条完整的从切割、研磨到CMP(chemical mechanical planarization,化学机械抛光)的 SiC 晶片生产线,并开发出 SiC 晶片表面处理、清洗、封装等工艺技术,实现了国产 SiC 晶片的销售。SiC晶体的生长速度、微管缺陷、X 射线摇摆曲线等质量指标完全符合国际半导体协会的技术标准,如:3 英寸的SiC 晶片的微管密度在每平方厘米 5

16、0 个以内,如图 3 所示。2009 年 3 月起至 6 月间,其 2 英寸的4H,6H 型 SiC晶片价格为 150 250 美元/片,以低价位冲击了国际市场。2010 年,预计达到 3 万片的产能,成为全球第 3、国内第 1 的 SiC 晶片供应商。图 3 天科合达3 英寸4H 导电SiC 晶片西安理工大学在多年研究人工生长大直径 SiC 单晶的基础上,开发出碳化硅单晶的生长工艺流程和设备,形成了一定的设备及晶体生产能力。目前,其自行研制、具有自主知识产权的 SiC 晶体生长设备和晶体生长工艺,已能制备直径 58 mm 以内、长度 15 mm 以内的高纯 6H?SiC 体单晶,100 mm

17、 SiC 晶体生长设备也已进入安装、调试阶段。国内若干研究机构、企业也涉足 SiC 晶体生产的研究,或自行研制、或引进生长设备。但是中国企业对 SiC晶片的应用还很少,SiC 产业的下游企业还没有形成规模,整个产业链还未打通,因此 SiC 晶片的研究在国内是处于刚刚起步阶段。3 SiC 器件的应用市场展望多年来,由于 SiC 材料和器件的制备工艺难度大、成品率低,因而价格较高,影响其向民用市场的推广应用。自 2007 年至今,市场上的商用 SiC 衬底片从 50 mm 发展到 150 mm,SiC 衬底的直径越来越大,并且位错、微管等缺陷的密度越来越低,从而使 SiC 器件的成品率提高、成本降

18、低,生产 SiC 产品的厂商越来越多,更多的领域开始使用 SiC 器件,如图 4 所示。法国市场调研公司Yole D?veloppement 提供的数据表明从2005 年至2009#44#Chinese Journal of Nature Vol.33 No.1 Progress年 SiC 器件市场的年增长率为 27%,从 2010 年至 2015年的年增长率将为 60%70%。中国天科合达蓝光公司进入 SiC 衬底市场后,迅速降低了国际市场上 SiC 衬底的价格,从而推动 SiC 器件的更快普及。图4 SiC 器件的应用领域随着 SiC 衬底材料研制技术的进展,器件研制的发展也十分迅速。目前

19、,生产 SiC 器件的公司有德国的Infenion 公司、美国的 Cree 公司、GE 公司、Motorola 公司、日本的东芝、日立、富士等公司。3.1 高温、功率 SiC器件SiC 材料的宽禁带和高温稳定性使得其在高温半导体器件方面有无可比拟的优势。采用 SiC 材料已制成了 MESFET、MOSFET、JFET、BJT 等多种器件,它们的工作温度可达 500 以上,可提供在极端环境下的电子系统的使用,如:军用武器系统、航空航天、石油地质勘探等领域。60%70%的电能是在低能耗系统中应用的,而其中绝大多数是消耗于电力变换和电力驱动,提高电力利用效率中起关键作用的是功率器件,即电力电子器件,

20、已使用的SiC 器件可将功耗降低一半,由此将减少设备的发热量,从而可大幅度降低电力变换器的体积和重量。日本丰田公司将开发的 SiC 二极管逆变器应用于混合动力汽车和电动汽车设备中。日本关西电力公司将开发的 SiC 逆变器用于阳光发电。欧洲 STMicroelectronics公司的SiC 二极管被用于电源管理。三菱电机在2010 年10 月推出的空调压缩机用逆变器中采用了 SiC 肖特基势垒二极管。德国 Infineon 公司的 SiC 二极管、SiC MOS?FET、SiC 肖特基二极管可在平板显示器和计算机的电源中应用。美国Cree公司与 Powerex 公司开发出了双开关1 200 V,

21、100 A 的 SiC 功率模块,由耐高压和大电流的SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二极管组成。3.2 微波、高频 SiC器件SiC 是 1 10 GHz 范围的大功率微波放大器的理想材料,短沟道 SiC MESFET 的特征频率已经达到 22GHz,最高振荡频率可以达到 50 GHz,SiC SIT(staticinduction transistor,静电感应晶体管)器件在 600 MHz时功率可以达到 470 W,3 GHz 时功率为 38 W,特征频率可以达到 7 GHz。最近 Purdue 大学在 4H?SiC 上制备出一种亚微米的 T 型 MESFET 器件,其饱和漏电流为

22、 350 mA/mm,击穿电压为 120 V,最大可获得的射频功率密度为 3.2 W/mm,在军用相控阵雷达、通信广播系统中有明显的优势。3.3 SiC光电器件目前 LED 固体照明是 SiC 器件的主要应用领域,未来手机和笔记本电脑的背景光市场将给 SiC 提供巨大的需求增长。美国 Cree 公司开发出了以 SiC 为基底的高亮蓝光晶片,其最高亮度可以达到 1 000 1 500 ml(ml 是亮度单位:millilambert 毫郎伯),完全可以取代普通照明灯。美国 GE 公司采用 SiC 材料实现了可在各种发动机内部工作的紫外光敏二极管,用于监测发动机的燃烧工作状态,并与 SiC 高温集

23、成电路一起构成控制电路,提高发动机的工作效率、节约能源、减少污染,可应用在交通运输和飞机器中。SiC 蓝光激光二极管的应用可提高数据存储技术。3.4 抗辐射器件在航天宇航的应用领域,SiC 器件是不可取代的,因为其可以抵御太空中强大的射线辐射,在核战或强电磁干扰作用的时候,SiC 电子器件的耐受能力远远超过硅基器件。使用 SiC 器件的航天器可以用来执行太阳系周围的更具挑战性的任务。当人们在太阳周围和太阳系内行星的表面执行任务时,具有优良高温和抗辐射特性的 SiC 电子器件将发挥关键性的作用。总之,SiC 材料、器件的研究和应用正处于发展的初期,世界各国对其很重视,我国对这方面的研究工作应进行

24、大力的支持,建立产业链,促进 SiC 器件在国内的应用,而不要只为国外厂商做廉价原料的供应商。(2010 年 10 月 26 日收到)(下转第 53 页)#45#自 然 杂 志 第 33 卷第 1 期科技进展 著名美学家鲁道夫#阿恩海姆曾在其一本著作中阐述道,%视觉乃是思维的一种最基本的工具&,%艺术乃是一种视觉形式,而视觉形式又创造思维的主要媒介&9。这就是说,设计者通过自己的观察、实践,将各种各样的可观赏昆虫纳入自己的视野,研究它们的构成美以及美学价值,并将其运用到景观建筑领域中去。通过一段时期的创造性积累,他们或许可以有效地丰富和拓展自己的%印象库藏&和%知识总量&,这样也就能变过去一些

25、原本孤立绝缘的主观感受或心里独白为生动而引人入胜的新型景观 10。为什么我们总不能对身边的事物做到过目不忘呢?这主要是我们不能对这些事物进行本质的把握。如果我们对观察到的一切美的事物,按照构成学的观点去分析、去欣赏,那么我们肯定对这些美的内涵有了质的把握,此时你对美的理解也肯定会有所斩获,从而铭刻于心。笔者只是从昆虫这一身边的常见生物出发,运用构成学的观点,对部分观赏昆虫的%构成美&进行了剖析,初步阐述了昆虫的构成美学价值,其目的在于能给园林景观设计师以生物美方面的启示,也便于观赏者更好的了解和欣赏%仿生学&。大自然为我们提供了无穷无尽欣赏美、寻找美和发现美的机会,而唯一使这些机会受到限制的就

26、是我们的想象力。俗话说%知之者不如好之者,好之者不如乐之者&,如果我们能够以%乐之&的心态,用更多的审美情感去面对、了悟人生旅居中的美,利用自己的智慧和文化素养,通过构思和设计,结合民族特有的审美传统,必能创造出更多美的,既有自然气息,又有个人情感的景观。注:本文的图 5 摘自鲜为人知的峨眉山枯叶蛾(http:/ 6 摘自昆虫之美(;图 13 摘自中华民国第 49 届中小学科学展览会作品说明书(;图 21 摘自造型基础#色彩(。(2010 年 11 月 2 日收到)1 汪芳.平面构成:高等院校设计专业系列教材 M.杭州:浙江人民美术出版社,2005:1?3.2 朴景子,吴辉泳.韩国现代城市景观

27、设计 M .北京:中国建筑工业出版社,2005:105.3 ELIEL Saarinen.Search for form:a fundamental approach to art M.New York:Reinhold Publishing Corporation,1985:77?78.4 RASMUSSEN S E.Ex periencing architecture M .Boston:The MIT Press,1986:43?44.5 丁文复.黄金分割及其应用 J.美育,1983,(3):19.6 万敏,陶碧伟.桥头公园的规划设计初探 J.中国园林,2004(9):37?41.7 杨

28、辛,甘霖,刘荣凯.美学原理纲要 M.北京:北京大学出版社,1989:157?171.8 钟蜀珩.色彩构成:设计教材丛书 M.杭州:中国美术学院出版社,2005:49?51.9 RUDOLF A.V isual thinking M.FL:University of Califor?nia Press,1997:22?23.10 魏琮,张雅林,贺虹.略论中国园林观赏昆虫的美学价值 J.昆虫知识,2005,(1):103?108.Analysis of Constitutive Beau ty of Ornamental InsectsZ HOU Xiang?,SHI Juan!?College

29、of Landscape Architecture,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China;!Associate Professor,Key Laboratory forSilviculture and Conservation,Ministry of Education,Beijing For?estry University,Beijing 100083,ChinaAbstract Based on plane and color composition methods,the authorsmainly analyzed the%

30、constitutive beauty&of numerous ornamental in?sects and illustrated their aesthetics value.The objective is to bring aninspiration to landscape architects from the view of%biological beauty&,and give an introduction on bionics field to the admirer.Key word s plane composition,color composition,ornam

31、ental insect(编辑:沈美芳)(上接第 45 页)1 MADAR R.Materials science:silicon carbide in contention J.Nature,2004,430:974?975.2 闫新强.碳化硅外延材料生长温度场模拟和表征技术研究 D.硕士论文.西安电子科技大学,2007:32?50.Application and Development of SiC Materials andDevicesWANG Shou?guo?,ZHANG Yan!?Associate Professor,!Professor,Department of Elect

32、ronic andInformation Engineering,Shenzhen Graduate School,Harbin Insti?tute of Technology,Shenzhen 518055,China;?School of Informa?tion Science and Technology,Northwest University,Xi)an 710127,ChinaAbstract SiC material is the third generation semiconductor mate?rial,which is limited for export by o

33、ther country for its being usedin military field.In this paper,the basic characteristics of SiC ma?terials are introduced firstly.The grow methods of SiC chips andthe manufacture corporations are summarized.The emphasis is onthe development of SiC chips in China.The application areas o fSiC devices and the prospect of the market are given lastly.The in?dustrial chain of the fabrication,application of the SiC materialand devices should be constructed in China.Key words SiC,semiconductor device,material,chip,process(编辑:方守狮)#53#自 然 杂 志 第 33 卷第 1 期自然论坛