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碳化硅在各个领域应用

来源:www.glhongcheng.com  作者:桂林鸿程 时间2015-11-26 10:21

众所周知,硅和锗构成了第一代半导体材料,主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中。相比于锗半导体器件,硅材料制造的半导体器件耐高温和抗辐射性能较好。95%以上的半导体、99%的集成电路都是用硅半导体材料制造的。直到现在,我们使用的半导体产品大多是基于硅材料的。90年代后,砷化镓、磷化铟代表了第二代半导体材料,可用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件。因信息高速公路和互联网的兴起,第二代半导体材料被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域。 

与前两代半导体材料相比,第三代半导体材料通常又被称为宽禁带半导体材料或高温半导体材料。其中,碳化硅和氮化镓在第三代半导体材料中是发展成熟的代表。在现已开发的宽禁带半导体中,碳化硅(SiC)半导体材料是研究最为成熟的一种。碳化硅半导体材料由于具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高饱和电子迁移率以及更小的体积等特点,在高温、高频、大功率、光电子以及抗辐射器件等方面具有巨大的应用潜力。

碳化硅的应用范围十分广泛:

1、由于具有宽禁带的特点,它可以用来制作蓝色发光二极管或几乎不受太阳光影响的紫外线探测器;

2、由于可以耐受的电压或电场八倍于硅或砷化镓,特别适用于制造高压大功率器件如高压二极管、功率三极管、可控硅以及大功率微波器件;

3、由于具有高饱和电子迁移速度,可制成各种高频器件(射频及微波);

4、碳化硅是热的良导体, 导热特性优于任何其它半导体材料,这使得碳化硅器件可在高温下正常工作。

5、此外,碳化硅具有很强的离子共价键,它具有高硬度、热导率超过金属铜、散热性能好、耐腐蚀性非常强、抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好等性质,在航天技术领域有着广泛的应用。

目前,碳化硅应用于大功率三极管和可控硅的技术已经基本成熟。使用碳化硅制造的功率电路具有体积小、耐高温、寿命长等多项优势。例如,电动汽车上使用的逆变器,使用碳化硅替代传统材料,可缩小近50%的体积和重量,使用寿命也大大延长。随着太阳能发电站、电动汽车、电力机车等新能源项目的普及,使用碳化硅制造的大功率逆变器、变频器、电机调速器市场前景将会会急剧膨胀。 

碳化硅同时还是一种性能优良的LED(发光二极管)衬底材料。使用氮化镓可以制造出发光效率为节能灯3~4倍、寿命为节能灯10倍的高亮度LED照明灯。由于碳化硅和氮化镓的晶格失配小,碳化硅单晶是氮化镓基LED、肖特基二极管、金氧半场效晶体管等器件的理想衬底材料。 

虽然用于氮化镓生长最理想的衬底是氮化镓单晶材料,但是,制备氮化镓体单晶材料非常困难,到目前为止尚未有行之有效的办法。我国的行业专家选择了碳化硅单晶衬底作为研究突破口,取得了令人瞩目的成果。目前形成了一条年产7万片碳化硅晶片的生产线,促进了我国第三代半导体产业的持续稳定发展,取得了较好的经济效益和社会效益。打破了美国科锐公司对碳化硅衬底国际市场的垄断地位。

当前碳化硅在电子行业的应用,主要立足于三大领域:高亮度LED、大功率电力电子系统以及先进雷达,以后还可能走进家用市场。虽然太阳能硅晶片切割再次崛起的可能性微乎其微,但是碳化硅行业只要立足于科技创新,作为新型电子材料,碳化硅材料迎接又一个春天的机会指日可待。


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