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碳化硅--第三代半导体材料
 

一、碳化硅晶体结构

碳化硅由碳原子和硅原子组成,密度是3.2g/cm3,在自然环境中,碳化硅是非常罕见的矿物,现在使用的主要是通过人工合成。半导体领域使用做多的是具有立方闪锌矿结构的3C-SiC和六方纤锌矿结构的4H-SiC和6H-SiC。

二、碳化硅基本性质

      碳化硅的硬度高达9.2-9.3,其硬度高,可以用于切割红宝石;导热率非常优良,是SI的3倍、GaAs的8-10倍,热稳定性高,常压下不可能被熔化;碳化硅具有宽禁带、耐击穿的特点,其禁带宽度是Si的3倍,击穿电场为Si的10倍。

三、碳化硅材料的发展历程

   1824年,当时的瑞典科学家Berzelius在人工合成金刚石的实验中意外发现了碳化硅这一物质。但因为碳化硅在自然界存量极少,没能引起足够的关注。

1885年,另一位化学家Acheson在石英砂与碳的混合加热过程中,高温生成了SiC晶体,这也是人类历史上首次制备纯净的碳化硅。

1959年,一位荷兰科学家提出了一种通过升华的方式让单晶体生长的方法,随后又在1978年被俄罗斯科学家进行了改良和优化。

1979年,以碳化硅为主要材料的蓝色发光二极管被发明了出来。

直到现在,在后续的研发和应用过程中,碳化硅以各种形态和应用方式在电子信息存储、传输和数据通讯等相关行业内发挥了巨大的作用,凭借其稳定的化学特性和优秀的半导体材料特质,在半导体材料领域获得了极大的发展空间。

四、碳化硅半导体的优势

      碳化硅的材料性能有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、存在高速二维电子气、击穿场强高。器件性能耐高温、开关速度快、通态电阻低、耐高压。

五、碳化硅半导体产业链

      碳化硅半导体产业链主要包括“碳化硅高纯粉料→单晶衬底→外延片→功率器件→模块封装→终端应用”等环节。

六、碳化硅宽禁带半导体目前存在问题

      1、大尺寸SiC单晶衬底制备技术仍不成熟。

      2、n型SiC外延生长技术有待进一步提高。

      3、SiC功率器件的市场优势尚未完全形成,尚不能撼动目前硅功率半导体在市场上的主导地位。

      4、SiC功率器件的驱动技术尚不成熟。

      5、SiC器件的应用模型尚不能全面反映SiC器件的物理特性。一般只适合于对精度要求较低的常规工业场合。