碳和硅都這么優(yōu)秀了，可是怎么還出了一個碳化硅（SiC）？

大自然特別奇妙，讓元素周期表上的IV族元素的單質(zhì)個個異常優(yōu)秀——

IV族元素排首的碳（C），是生命必不可少的組成元素之一。此外，它的單質(zhì)可以為火鍋、烤肉提供溫度，也可以是導(dǎo)熱性能優(yōu)良的第三代半導(dǎo)體；它可以是性能優(yōu)良的石墨烯，但是搖身一變就成為堅(jiān)貞愛情的見證；它柔弱，可以穿在身上，冬暖夏涼；它堅(jiān)硬，能切割一切，所向披靡。

（來源：化學(xué)自習(xí)室網(wǎng)）

而IV族元素排第二的是硅（Si)，是地球上含量僅次于氧（O)的元素。主要存在于不起眼的小石頭中，可變成單質(zhì)就能讓電子設(shè)備的體積越來越小，運(yùn)算速率卻大大提升；它把太陽能轉(zhuǎn)化成電能，也鑄成了半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的里程碑。其晶體結(jié)構(gòu)和金剛石相同。

碳和硅都這么優(yōu)秀了，可是怎么還出了一個碳化硅（SiC）？？？

一山更比一山高，碳化硅的出現(xiàn)絕非偶然，都是因?yàn)橐粋€詞——優(yōu)秀！

其實(shí)，自然界也是存在天然SiC礦石，而且非常罕見。它就是——莫桑石。

下面是寶石行業(yè)常用的參數(shù)：1??火彩，莫桑的火彩是鉆石的2.5倍；2??色散值，鉆石是0.044，莫桑是0.104；3??折射率，鉆石是2.417，莫桑是2.65。4??莫氏硬度，鉆石是10，硬度之王非它莫屬，莫桑石是9.2-9.8，也遠(yuǎn)高于其它寶石。所以，相同條件加工后的莫桑石會比鉆石更加”閃耀“。

但是，天然莫桑石非常稀少，稀少到僅出現(xiàn)在五萬年前隕石坑內(nèi)。所以有人說：天然莫桑石比起天然鉆石更能代表愛情。

（來源：渠道網(wǎng)）

單單因?yàn)轭佒?，SiC就能讓相寧這么夸贊嗎？非也，而是因?yàn)樗灿袃?yōu)良的物理性能，這也是支撐它在工業(yè)生產(chǎn)、半導(dǎo)體行業(yè)等多個領(lǐng)域有一席之地的重要原因。

你可能沒見過莫桑石，但你一定聽說過金剛砂，這個類似“金剛石”的名稱已經(jīng)霸氣側(cè)露的表示出了它的硬度。常見的作為磨料、耐火材料的金剛砂分黑色和綠色兩種。但是，這類金剛砂都是通過石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑等原料通過電阻爐高溫冶煉而成的。純的SiC晶體是無色透明的，帶有顏色是因?yàn)樗鼈儍?nèi)部摻有一些雜質(zhì)，純度并非100%。

（來源：百度圖庫）

SiC是C和Si唯一穩(wěn)定的化合物，也是一種共價(jià)化合物，有閃鋅礦型（立方晶系，空間群F4-3M ）和纖鋅礦型（六方晶系，空間群Pmc）兩種結(jié)晶形式，200余種多型體，且不同結(jié)構(gòu)材料之間的電學(xué)、光學(xué)等性能各不相同。

（來源：新浪博客）

SiC是第三代半導(dǎo)體材料中應(yīng)用最為成熟的材料之一。第三代半導(dǎo)體即寬禁帶半導(dǎo)體，主要包含包含碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、氧化鋅、金剛石等（第一代半導(dǎo)體主要是Si、Ge等單質(zhì)半導(dǎo)體材料；第二代半導(dǎo)體主要是指GaAs、InP等化合物半導(dǎo)體材料）。SiC的禁帶寬度為Si的2-3倍，導(dǎo)熱率為Si的4-5倍，擊穿電壓為Si的8倍，電子飽和漂移速率為Si的2倍。所以，SiC特別適于制造高溫、高頻、抗輻射及高功率的器件。

目前，采用SiC制備LED照明設(shè)備的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，也已經(jīng)開始應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器和探測器上。采用SiC制成的發(fā)光二極管輻射波長可以覆蓋綠光到紫光（400-550nm）波段，在光信息顯示及光集成電路等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

在市場上，SiC光電子、功率和微波等三類器件也已經(jīng)廣泛使用，如PIN二極管、肖特基二極管、MESFET、MOSFET、晶閘管、SiC基發(fā)光二極管等。這類電力電子器件就是利用了SiC耐高溫、高頻、高壓及高功率的優(yōu)勢。舉個例子，Si器件的最高工作溫度大約200℃，可是SiC器件在400℃的時候還能運(yùn)轉(zhuǎn)飛速。但是因?yàn)槌杀締栴}，SiC電子器件主要在應(yīng)用于軍用飛機(jī)、艦艇等，目前民用市場還比較有限。

（來源：新材料產(chǎn)業(yè)）

有人說，我們對Si的了解程度在“博士”水平，但是對于SiC的了解就像是“小學(xué)生”。我們不禁心生疑問：

人類在1905年就在隕石中發(fā)現(xiàn)SiC晶體了，1907年第一只SiC晶體二極管就誕生了。已經(jīng)一百多年過去了，SiC在半導(dǎo)體領(lǐng)域的優(yōu)勢又那么多，可為什么對它仍知之甚少呢？？？

答案總結(jié)為一個字，那就是：少！

“物以稀為貴”是亙古不變的道理。自然界中的莫桑石稀少到根本沒有開采價(jià)值，可遇不可求。更殘酷的是，人造高純度SiC單晶的條件又十分苛刻，尤其是很難達(dá)到制作半導(dǎo)體光電器件的級別要求。

SiC的熔點(diǎn)小于金剛石，大于Si單晶。所以在Si的制備條件下，SiC是沒有液相存在的。SiC的制備條件要求：壓力約1000Pa、溫度超過2000℃，理想的化學(xué)配比。故從商業(yè)角度考慮：SiC單晶不可能像Si單晶一樣從熔體中提拉制備。

目前世界上常見的制備SiC單晶的方法是籽晶升華法，又稱物理氣相傳輸法（PVT)。其原理是對準(zhǔn)密閉的坩堝系統(tǒng)采用感應(yīng)或電阻加熱，將作為生長源的固態(tài)混合物置于溫度較高的坩堝底部，籽晶固定在溫度較低的坩堝頂部。在低壓高溫下，生長源升華且分解產(chǎn)生氣態(tài)物質(zhì)，生長源與籽晶之間存在溫度梯度，因而會形成的壓力梯度。這些氣態(tài)物質(zhì)會由此被輸運(yùn)到低溫的籽晶位置，形成過飽和，籽晶開始長大。

(來源：2014·LED配套材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展交流對接會）

除了以上方法，常見的還有高溫化學(xué)氣象沉積法（HTCVD）與液相法（LPE）兩種，這兩種方法的生長溫度也需要1500-2500℃。但是相對于PVT法，這兩種方法都還尚不成熟。下圖為SiC和Si單晶生長條件的參數(shù)對比。

（來源：CTIMES）

近兩年，隨著電動汽車和5G通訊技術(shù)的發(fā)展，能夠承受高壓、高頻環(huán)境，導(dǎo)熱性良好的SiC器件又得到了重視，開始快速發(fā)展。國內(nèi)，低功耗的碳化硅器件也已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了實(shí)用器件的生產(chǎn)階段。但是相比來說，碳化硅晶圓的價(jià)格還是比較高，其缺陷也多，所以其應(yīng)用市場距離像Si器件一樣廣泛成熟還需要一定的時間。

不過，希望還是很大的，“預(yù)言寧”感覺那天似乎就在不遠(yuǎn)處。