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碳化硅材料的发展和优势

碳化硅早在 1842 年就被发现了，但因其制备时的工艺难度大，并且器件的成品率低，导致了价格较高，这影响了它的应用。直到 1955 年，生长高品质碳化硅的方法出现促进了 SiC 材料的发展，在航天、航空、雷达和核能开发的领域得到应用。1987 年，商业化生产的 SiC 进入市场，并应用于石油地热的勘探、变频空调的开发、平板电视的应用以及太阳能变换的领域。

碳化硅材料有很多优点，如禁带宽度很大、临界击穿场强很高、热导率很大、饱和电子漂移速度很高和介电常数很低如表 1-1。首先大的禁带宽度，如 4H-SiC其禁带宽度为 3.26 eV，是硅材料禁带宽度的三倍多，这使得器件能耐高温并且能发射蓝光;高的临界击穿场强，碳化硅的临界击穿场强 (2-4 MV/cm)很高，4H-SiC的临界击穿场强为 2.2 MV/cm，这要高出 Si 和 GaAs 一个数量级，所以碳化硅器件能够承受高的电压和大的功率;大的热导率，热导率是 Si 的 3.3 倍和 GaAs 的10 倍，热导率大，器件的导热性能就好，集成电路的集成度就可以提高，但散热系统却减少了，进而整机的体积也大大减小了;高的饱和电子漂移速度和低的介电常数能够允许器件工作在高频、高速下。

但是值得注意的是碳化硅具有闪锌矿和纤锌矿结构，结构中每个原子都被四个异种原子包围，虽然 Si-C 原子结合为共价键，但硅原子 1.8 的负电性小于负电性为 2.6 的 C 原子，根据 Pauling 公式，离子键合作用贡献约占 12%，从而对载流子迁移率有一定的影响，据目前已发表的数据，各种碳化硅同素异形体中，轻掺杂的 3C-SiC 的载流子迁移率相当高，与之相关的研究工作也较多，在较高纯的 3C-SiC 中，其电子迁移率可能会超过 1000 cm/(V.s)，相当高的跟硅也有一定的差距。

与 Si 和 GaAs 相比，除个别参数外(迁移率)，SiC 材料的电热学品质优于 Si 和 GaAs 等材料，仅次于金刚石。因此碳化硅器件在高频、大功率、耐高温、抗辐射等方面具有巨大的应用潜力，它可以在电力电子技术领域打破硅的极限，成为下一代电力电子器件。

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