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碳化硅与氮化镓材料的同与不同

日期:2019年3月22日 14:20

    半导体是一种介于导体与绝缘体之间的材料,它具有导电性可控的特点。当半导体受外界光和热的刺激时,其导电能力将会有显著变化,在纯净半导体中加入微量杂质,其导电能力会急剧增强。自科学家法拉第发现硫化银以来,半导体材料硅、锗、硼、锑、碳化硅和氮化镓等相继被发现与应用。

 


    我们生活的方方面面都离不开半导体技术,电器、灯光、手机、电脑、电子设备等都需要半导体材料制造,碳化硅(SIC)与氮化镓(GaN)属于第三代半导体材料,有着非常广阔的应用前景。

 

碳化硅与氮化镓的相同之处

    碳化硅与氮化镓均属于宽禁带半导体材料,它们具有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好的特点。随着市场对半导体器件微型化、导热性的高要求,这类材料的市场需求暴涨,适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。

 

碳化硅与氮化镓的优点与不足

    碳化硅又叫金刚砂,是用石英砂、石油焦、木屑等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,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。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。

 

    氮化镓是氮和镓的化合物,是一种直接能隙的半导体,该化合物结构类似纤锌矿,硬度很高。氮化镓的能隙很宽,为3.4电子伏特,可以用在高功率、高速的光电元件中,如氮化镓可以用在紫光的激光二极管,可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器的条件下,产生紫光激光。

 

碳化硅与氮化镓的应用领域和难点

   碳化硅是当前发展最成熟的宽禁带半导体材料,世界各国对碳化硅的研究很重视,美欧日等不仅从国家层面上制定了相应的研究规划。

   碳化硅因具有很大的硬度而成为一种重要的磨料,但其应用范围却超过一般的磨料。例如,它所具有的耐高温性、导热性而成为隧道窑或梭式窑的首选窑具材料之一,它所具有的导电性使其成为一种重要的电加热元件等。除此之外,碳化硅材料还可应用于功能陶瓷、耐火材料、冶金原料等应用领域。

   碳化硅器件的发展难题不是设计难题,而是实现芯片结构的制作工艺,如碳化硅晶片的微管缺陷密度、外延工艺效率低、掺杂工艺的特殊要求、配套材料的耐温等。碳化硅生产的另一个问题是环保,由于碳化硅在冶炼过程中会产生一氧化碳、二氧化硫等有害气体,同时粉尘颗粒如果处理不当,污染非常严重。

氮化镓是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,在光电子、激光器、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

   氮化镓材料的发展难题有三个,一是如何获得高质量、大尺寸的GaN籽晶,因为直接采用氨热方法培育一个两英寸的籽晶需要几年时间;二是对于氮化镓材料,长期以来由于衬底单晶没有解决,异质外延缺陷密度相当高,因为氮化镓极性太大,难以通过高掺杂来获得较好的金属-半导体的欧姆接触,工艺制造较复杂;三是氮化镓产业链尚未完全形成。

 

碳化硅与氮化镓的制造工艺

    由于天然含量甚少,碳化硅主要多为人造,常见的方法是将石英砂与焦炭混合,利用其中的二氧化硅和石油焦,加入食盐和木屑,置入电炉中,加热到2000°C左右高温,经过各种化学工艺流程后得到碳化硅微粉。

   法国和瑞士科学家首次使用氮化镓在(100)-硅(晶体取向为100)基座上,成功制造出了性能优异的高电子迁徙率晶体管(HEMTs)。据OFweek电子工程网获悉,珠海一家公司拥有8英寸硅基氮化镓量产生产线,这是中国首条实现量产的8英寸硅基氮化镓生产线。当前氮化镓的工艺制造难题是薄膜冷却时受热错配应力的驱动下,容易发生破裂或翘曲,成为硅基氮化镓大英寸化的主要障碍。

 

碳化硅与氮化镓或将成半导体市场主流

 

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