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【氮化镓专栏】碳化硅与氮化镓材料的同与不同

2020-11-06 18:19:01 admin 230

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  。

碳化硅与氮化镓材料的同与不同

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大奖18dj18官网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  。

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碳化硅与氮化镓材料的同与不同 

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

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碳化硅与氮化镓材料的同与不同 

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)-(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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碳化硅与氮化镓材料的同与不同 

随着国家对第三代半导体材料的重视 ,近年来 ,我国半导体材料市场发展迅速  。其中以碳化硅与氮化镓为主的材料备受关注。碳化硅与氮化镓很多相同的地方 ,比如均有着好的前景,材料特性优于第一第二代半导体材料等。两者特性的不同造就了其不同的应用领域 ,未来   ,碳化硅与氮化镓将发挥各自的优势   ,相辅相成 ,一起撑起半导体应用的天空      。 

尽管如此,但碳化硅与氮化镓的产业难题仍待解决,如我国材料的制造工艺和质量并未达到世界顶级  ,材料制造设备依赖于进口严重 ,碳化硅与氮化镓材料和器件方面产业链尚未形成等 ,这些问题需逐步解决   ,方可让国产半导体材料屹立于世界顶尖行列   。


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