新一代半导体材料碳化硅

Silicon Carbide Wafer

碳化硅(SiC)是一种极其坚硬的硅(原子序数14)和碳(原子序数6)形成类似于金刚石的强共价键的晶体化合物。自 19 世纪末以来,碳化硅一直是砂纸、砂轮、切削工具、耐火衬里、加热元件、耐磨部件以及发光二极管半导体基板的重要材料。碳化硅具有高导热性、高温强度、低热膨胀性和耐化学反应性,其导电率介于金属和绝缘材料之间。这一特性与其热特性相结合,使碳化硅成为传统硅基半导体的替代品。

碳化硅是由美国发明家Edward G. Acheson于 1891 年发现的。Acheson在尝试生产人工钻石的时候,在一个铁碗中加热粘土和焦粉的混合物,并用铁碗和普通碳弧光灯作为电极。他意外的发现亮绿色晶体附着在碳电极上。起初他认为绿色晶体是一种碳和氧化铝的化合物,但在随后的实验中Acheson发现这种强共价键的晶体的硬度接近钻石,并随后申请了美国专利。最初这种新材料用于宝石抛光,售价与天然钻石粉相当。这种新化合物可以从廉价的原材料中获得,并且产量很高,很快就成为一种重要的工业磨料。

纯硅砂和细磨焦炭形式的碳的混合物在砖电阻式炉内的碳导体周围形成。电流通过导体,发生化学反应,焦炭中的碳和砂中的硅结合形成碳化硅和一氧化碳气体。炉子运行可以持续数天,在此期间,炉芯温度从 2,200°C 到 2,700°C(4,000°F 到 4,900°F)。每次运行能耗超过10万千瓦时。运行完成后,产品由松散编织在一起的绿色至黑色碳化硅晶体核心组成。

对于先进的电子应用,可以通过蒸汽生长大型碳化硅单晶;然后,可以将晶锭切成晶圆,就像硅一样,用于制造固态器件。对于增强金属或其他陶瓷,碳化硅纤维可以通过多种方式形成,包括化学气相沉积和含硅聚合物纤维的烧制。

  • 2023-10-19