碳化硅半导体的介绍及发展前景

碳化硅半导体的介绍及发展前景

介绍碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。碳化硅又称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。可以称为金钢砂或耐火砂。碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm².概述包括黑碳化硅和绿碳化硅，其中：黑碳化硅是以石英砂,石油焦和优质硅石为主要原料,通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉,性脆而锋利。绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料,添加食盐作为添加剂，通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉。常用的碳化硅磨料有两种不同[1]的晶体，一种是绿碳化硅，含SiC97%以上，主要用于磨硬质含金工具。另一种是黑碳化硅，有金属光泽，含SiC95%以上，强度比绿碳化硅大，但硬度较低，主要用于磨铸铁和非金属材料。性质分子式为SiC，其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，可作为磨料和其他某些工业材料使用。工业用碳化硅于1891年研制成功，是最早的人造磨料。在陨石和地壳中虽有少量碳化硅存在，但迄今尚未找到可供开采的矿源。纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅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。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC(称立方碳化硅)。α-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体，已发现70余种。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC.碳化硅的工业制法是用优质石英砂和石油焦在电阻炉内炼制。炼得的碳化硅块，经破碎、酸碱洗、磁选和筛分或水选而制成各种粒度的产品。碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的基本品种，都属α-SiC。①黑碳化硅含SiC约98.5％，其韧性高于绿碳化硅，大多用于加工抗张强度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。②绿碳化硅含SiC99％以上，自锐性好，大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具。此外还有立方碳化硅，它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体，用以制作的磨具适于轴承的超精加工，可使表面粗糙度从Ra32～0.16微米一次加工到Ra0.04～0.02微米。图1黑碳化硅碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，例如：以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高,节能效果好。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。此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。碳化硅的硬度很大，具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。中国主要产地长白山脉、河南、青海、甘肃、宁夏、四川、贵州、湖北丹江口等地。世界各国碳化硅企业分布Superior石墨公司·Electro磨料公司发展及前景关于碳化硅的几个事件

1905年第一次在陨石中发现碳化硅

1907年第一只碳化硅发光二极管诞生

1955年理论和技术上重大突破，ＬＥＬＹ提出生长高品质碳化概念，从此将ＳIC作为重要的电子材料

1958年在波士顿召开第一次世界碳化硅会议进行学术交流

1978年六、七十年代碳化硅主要由前苏联进行研究。到1978年首次采用“ＬＥＬＹ改进技术”的晶粒提纯生长方法

1987年～至今以ＣＲＥＥ的研究成果建立碳化硅生产线，供应商开始提供商品化的碳化硅基·BPI有限责任公司·Elmet公司巴西圣－戈班集团公司·ESK-SIC公司·NavarroSIC公司·ZAC公司日本的YakushimaDenko和PacificRundum有限公司碳化硅（SiC），作为一种新型半导体材料，具有潜伏的优点：更小的体积、更有效率、完全往除开关损耗、低漏极电流、比标准半导体（纯硅半导体）更高的开关频率以及在标准的125℃结温以上工作的能力。小型化和高工作耐温使得这些器件的使用更加自如，甚至可以将这些器件直接置于电机的外壳内。

任何一种新技术都会经历由发展到成熟的过程，SiC也不例外。标准功率开关，如尽缘栅双极型晶体管（IGBT），有很大的产品基础和优化的生产技术。而SiC却需要投进大量经费和研发资金来解决材料题目和完善半导体制造技术。然而这种功率开关器件，能够在正向导通大电流和反向截止千伏电压之间快速执行开关动作，这样的性能是值得一试的。

SiC最初的成功应用和主要应用发光二极管，用于汽车头灯和仪表盘其他照明场合。其他的市场包括开关电源和肖特基势垒二极管。将来会应用到包括混合动力车辆、功率转换器（用于减小有源前置滤波器的体积）和交流/直流电机控制上。这些更高要求的应用还没有贸易化，由于它们需要高质量的材料和大规模的生产力来降低本钱。在全世界范围内，大量的研究经费投进到了公司、实验室和政府设施，以使SiC技术更加可行。一些专家预言，SiC技术的贸易化、产业化甚至军工应用将在2到5年或者更远的时间内变成现实。图1：APEIInc.的这个功能齐全的基于SiC的3kW三相换流器原型，可以工作250℃以上的温度。电机控制生产商对于SiC的发展特别有爱好，有些甚至与研究职员和半导体生产商进行合作来促进SiC的发展。但是他们大多数都对这种协作关系闭口不谈。SiC技术的促进者

RockwellAutomation公司标准驱动部分的顾问工程师GarySkibinski博士说：“RockwellAutomation看到了这个新技术的潜伏优点并以为自己是SiC技术的促进者。Rockwell公司也确定了SiC技术会如何融进其将来的贸易计划。对于一个领先的公司，理解并接纳新兴技术是至关重要的。”发展正在逐步进行。Skibinski举例道，在驱动模块的每个标准IGBT上附加一个SiC功率二极管，作用如同变极飞轮二极管，作为进步生产力逻辑上的第一步；这种改变其次将会应用于功率开关上。他说：“纯SiC驱动仍处于研发和原型论证阶段。”相对于纯SiC模型（SiIGBT+反平行二极管开关）的进展，在近期对于Si-SiC混合型功率模型（SiIGBT+贸易SiC二极管）的研究中，Rockwell公司在减少能量损耗和增加载波频率上获得突破性进展。此模型总的功率损耗为Eon+Err+Eoff（见图2）。对于Si或者SiC二极管，不管Rgate值如何变化，Eoff的值都不会变化，但是当使用SiC二极管时，其他的两个功率损耗分量会因Rgate值的变化而发生变化。对于任何Rgate值，二极管反向恢复损耗Err实际上已经几乎减小到0（94%）。当Rgate=25Ω时GBT的Eon减小了37%，当Rgate=8绞保琁GBT的Eon减小了85%。图2：RockwellAutomation近期的调查显示，相对于全硅模块，Si-SiC混合模块可以潜伏地减小功率损耗Eon和Err。为了便于比较，全硅模块的IGBT功率损耗En被规格化为每一个单位3.3mJ。研究的结果证实了更高开关频率的可能性，在以前，更高的开关频率一直受限于纯硅二极管的反向恢复损耗。Err限制了在减小开启损耗上的进一步发展。Skibinski解释道：“硅模块的供给商推荐使用一个门电阻Rgate(例如25Ω，来平衡IGBT的开启能量损耗(Eon)关断能量损耗(Eoff)。”然而对于SiC二极管，门电阻Rgate就可以省往不用了。他说：“SiC二极管能够降低总功率损耗(Eon+Err+Eoff)，这一特性仔驱动上的应用有着潜伏优点。”首先，在使用同样的制冷系统的条件下，它可以达到4倍的开关频率，可以使前置电磁滤波用具有更好的性能、更小的体积和更低的价格。或者，你也可以保存现在的开关频率和制冷系统，这样就可以得到更高的效率和稳定性、更低的损耗、更高的额定输出。降低的总功率损耗可以潜伏地降低制冷花费。

YaskawaElectric是另一个采用SiC技术的驱动生产商，他把SiC技术应用于雷达屏幕上。YaskawaElectric总结SiC的基本的优点有：高工作温度、高开关速度、在导通和开关模式下都具有更低的损耗，这些是驱动系统更加有效率。

日本小仓YaskawaElectric公司研发实验室的IEEE的特殊会员TsuneoJ.Kume博士在ControlEngineering中说道：“这种低损耗的特性，加上高工作结温，是碳化硅器件和制冷系统具有更小的体积，进而导致具有更高功率密度的驱动系统的成为可能。而且，高频开关性能极大地改进了控制系统的响应和带宽。”Yaskawa公司正在与先进的半导体生产商密切合作，例如MitsubishiSemiconductors公司，只要技术成熟，将会推出具有先进技术的SiC器件。据Kume说，这种技术正在为实际应用和质量作进一步实验，使用这种新技术的驱动产品，暂时还没有开始开发。

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