高冷范陶瓷-碳化硅

發(fā)布時(shí)間 | 2019-10-31 16:29 分類 | 粉體應(yīng)用技術(shù) 點(diǎn)擊量 | 3046

磨料石英石墨干燥金剛石碳化硅石墨烯氧化鋁

導(dǎo)讀：

今天小編不跟大家討論高端大氣上檔次的寶石系列了,聊一個(gè)低調(diào)奢華有內(nèi)涵的陶瓷材料。

大家常見的這個(gè)東西黑不溜秋,咋看咋不順眼,這與其基因是有關(guān)的。碳化硅化學(xué)式為SiC,可以認(rèn)為是C與Si的愛情結(jié)晶。恰好將Si與C的特性完美的結(jié)合了。外表雖然不咋地,但是絕對潛力股,妥妥的第三代寬帶半導(dǎo)體扛把子。在未來的高功率器件中都要有一席之地。

不要小瞧這堆黑不溜秋的東東,其貌不揚(yáng),但其質(zhì)逆天。

小編覺得有必要跟大家講一下SiC的“父母”。

大家知道C可以形成硬度最高材料—鉆石,啥樣子咱們之前文章都給看過了,本來可以靠實(shí)力吃飯的材料最后卻以光彩奪目的顏值被世人熟知,大家應(yīng)該還聽過石墨烯,魔角這些鬼東西,這些都是C的變形。只不過石墨烯日常沒有鉆石那么容易看到。

Si,這個(gè)東西大家一定很熟悉了,我們常常聽到wafer就是這個(gè)元素的單晶,這個(gè)材料可以毫不吹牛的說，它就是現(xiàn)在微電子的基石頭,沒有這個(gè)材料,那人類的科技應(yīng)該還停留在晶體管時(shí)代。

C與Si都是第四主族元素，有些會(huì)搞事情的科學(xué)家就嘗試將這2個(gè)材料“結(jié)合”一下，就產(chǎn)生了今天我們要講的SiC。它繼承了Si的“黑膚色”,本可以低調(diào)的,可它繼承偏繼承了C的某些優(yōu)秀性能,實(shí)力它不允許啊。

來感受下什么叫天生主角光環(huán)？感受一下，后面給大家簡單說明。

材料種類	帶隙 E_G/eV	熱導(dǎo)率λ/[W/(cm·K)]	擊穿電場強(qiáng)度E_B/(MV/cm)	遷移率μ/(cm²/Vs)	飽和速率V (×10⁷cm/s)	介電常數(shù)ε
金剛石	5.5	22	10	3 800(空穴）4 500（電子）	1.5~2.7(電子） 0.85~1.2(空穴）	5.7
SiC	3.27	4.9	3.0	1 000（電子）	2.0（電子）	9.7
GaN	3.4	1.5	2.5	2 000（電子）	2.5	8.9
Si	1.12	1.5	0.3	1 400（電子）	1.0	11.8

之前咱們講氧化鋁熱導(dǎo)率好,但它在SiC面前就是渣渣。SiC也繼承了金剛石的硬度特性,輕松秒殺一種材料。就因?yàn)檫@個(gè)原因,它在一些高溫、摩擦等惡劣環(huán)境下比氧化鋁更耐操。

這里插播一條廣告。

就中國近幾年竟然可以商用衛(wèi)星拍攝美國航母艦隊(duì)，可以做戰(zhàn)場動(dòng)態(tài)分析,很大一部分原因都是因?yàn)镾iC這個(gè)材料的應(yīng)用,那為啥偵測相機(jī)需要用SiC了？

上圖是目前國際衛(wèi)星使用的一些反射鏡材料;外太空因?yàn)椴淮嬖跓釋α?因此同一個(gè)物體受陽面跟背陽面的溫度差會(huì)非常的大。那么這么大的溫差如果熱導(dǎo)率不好的話會(huì)在材料表面形成大的溫度梯度,進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力威脅到鏡面的機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)就相當(dāng)于給鏡子加熱,降溫這個(gè)過程,那么為了適應(yīng)這種溫度的變化,必須要使用一種熱膨脹系數(shù)小的材料以保證光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜合上面的主要因素,最終SiC是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。這里也為中國的航天人員打call。就這個(gè)玩意，目前國際上是對中國禁運(yùn)的。

SiC既然Si的嫡親,那么不得不說它在半導(dǎo)體種的應(yīng)用。我們現(xiàn)在用的硅基半導(dǎo)可以稱之為“低功率邏輯計(jì)算半導(dǎo)體”，意思是啥？就是這個(gè)半導(dǎo)體三極管它只能走比較小的電流,那這個(gè)電流只能當(dāng)作一種信號的傳遞,是無法驅(qū)動(dòng)一些機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)或者過載大電流的.所以你看我們的電機(jī)控制，需要一個(gè)電路板將這種小信號逐步放大來驅(qū)動(dòng)電機(jī).隨著技術(shù)的進(jìn)步,科學(xué)家開始思考使用給更大是電流來直接驅(qū)動(dòng)一些機(jī)械結(jié)（晶體管走大電流），于是就有了第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)。目前第三代半導(dǎo)是極力被看好的一個(gè)是GaN，另一個(gè)是SiC.到底用在哪里？

大家可以去查一個(gè)名詞 IGBT（nsulated Gate Bipolar Transistor）

下面是SiC與傳統(tǒng)Si的半導(dǎo)體特性對比.明顯能看到，幾乎是壓倒性優(yōu)勢

還是言歸正傳，咱們聊聊SiC是怎么弄出來的.

目前最簡單粗暴的就將石英與炭粉混合后高溫煅燒，往簡單講就是一個(gè)還原反應(yīng). SiO₂+CàSiCO+SiC，一般在爐子里面得到的都是復(fù)雜的產(chǎn)物。靠近爐芯的地方反應(yīng)最充分，得到是一級SiC,其中SiC含量>96%,稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)的，得到的是二級SiC,SiC含量>90%，再遠(yuǎn)一點(diǎn)區(qū)域，就是無定形區(qū),SiC含量>80%，再遠(yuǎn)一點(diǎn),稱之為粘合層，SiC含量>30%,再遠(yuǎn)一點(diǎn)基本上就是SiCO,SiCk含量更多.靠近爐子邊緣基本就是原料不怎么會(huì)有SiC產(chǎn)生。

顯然每一層區(qū)域的厚度是與爐子的溫度分布息息相關(guān)的。如何控制溫度是1，2級的區(qū)域厚度更厚,這是一個(gè)有趣的地方。經(jīng)過磨碎，化學(xué)處理,干燥分篩，磁選制程，就變成我們?nèi)粘？吹礁鞣NSiC 粉料了。我們平常用的綠硅與黑硅主要是從1級區(qū)取出來的。