SiC單晶材料的案例
大直徑SiC單晶材料的應用及前景分析
傳統的半導體材料如以硅、ＧａＡｓ等在微電子、光電子等領域應用廣闊，然而隨著技術的不斷進步，受材料性能所限，這些傳統半導體制成的電子器件，很難滿足于現代電子技術對于高溫、高頻、高壓等工作條件下的新要求，而以 ＳｉＣ 為代表的新型半導體材料，所具有的禁帶寬度大、熱導率高、臨界擊穿電場高等特點，在高頻大功率器件、高功率密度、高集成度器件及小型化半導體器件等領域備受青睞［１］。
１ SiC晶體的結構及性能
碳化硅材料是由Ｓｉ和 Ｃ兩種元素，按照相同的化學計量比結合而成，其基本結構單元為Ｓｉ－Ｃ四面體，并以堆垛的方式結合在一起，每層密排結構中每個原子都與四個異種原子以ｓｐ３雜化結合在一起，結構相對穩定，但層與層之間的鍵能較弱，堆疊位置各異，這也導致ＳｉＣ 晶體具有較多的同質多形體。
目前已被發現的有２５０多種異晶型，其晶型結構可分為立方（Ｃ）、六方（Ｈ）、菱方（Ｒ）三種基本結構，且均可轉化為六方結構進行描述，如圖１所示，將每層Ｓｉ－Ｃ單元以六方密排的形式堆積，可以看出密排面上的原子層存在著三種不同的堆疊位置，即 Ａ、Ｂ、Ｃ。按照全同粒子的密堆積原則，相鄰密排原子層必須以原子間隙對準，即在參考原子層上下相鄰的兩個層面有且只有兩種對準方式，假設 Ａ 原子層為第一層結構，則第二層結構則為 Ｂ、Ｃ中的一種，第三層則為異于第二層排列中的一種，如此往復，按照一定的周期進行排列，得到具有不同結構的碳化硅單晶。
表１為幾種常見的碳化硅單晶結構及性能指標。
展開 一文讀懂：第三代半導體行業現狀和投資機遇
襯底表面加工質量的好壞直接決定了外延材料的表面缺陷密度，而大尺寸 SiC襯底的研磨和拋光工藝仍不能滿足要求，需要進一步開發研磨、拋光工藝參數，降低晶圓表面粗糙度。
p 型襯底技術的研發較為滯后。目前商業化的 SiC 產品是單極型器件。未來高壓雙極型器件需要 p 型襯底。目前 SiC p 型單晶襯底缺陷較高、電阻率較高，其基礎科學問題尚未得到突破，技術開發滯后。近年來，中國 SiC單晶材料領域取得了長足進步，但與國際水平相比仍存在一定的差距。除了以上共性問題以外，中國 SiC 單晶材料領域在以下 2個方面存在巨大的風險：一是 SiC單晶企業無法為國內已經/即將投產的 6英寸芯片工藝線提供高質量的 6 英寸單晶襯底材料；二是 SiC 材料的檢測設備完全被國外公司所壟斷。
2）n 型 SiC 外延生長技術有待進一步提高
。目前外延材料生長過程中氣流和溫度控制等技術仍不完美，在 6 英寸 SiC 單晶襯底上生長高均勻性的外延材料技術仍有一定挑戰，一定程度影響了中低壓 SiC 芯片良率的提高。p 型 SiC 外延技術仍不成熟。高壓 SiC 功率器件是雙極型器件，對 p 型重摻雜外延材料提出了要求，目前尚無滿足需求的低缺陷、重摻雜的p型SiC外延材料。
近年來中國 SiC 外延材料技術獲得了長足進展，申請了一系列的專利，正在縮小與其他國家的差距，已經開始批量采用本土 4 英寸單晶襯底材料，產品已經打入國際市場。但是，目前國內 SiC外延材料產品以4英寸為主，由于受單晶襯底材料的局限，尚無法批量供貨 6 英寸產品。并且 SiC 外延材料加工設備全部進口，將制約中國獨立自主產業的發展壯大。
展開 單晶到單晶的配體交換賦予MOFs材料功能化
【引言】
近年來，具有可調性能的MOFs材料的快速發展吸引了各個領域的研究興趣，其中包括鐵電，氣體吸附，發光，磁性和催化等。特別是經歷單晶到單晶轉換(SC?SC)的MOFs材料能為研究化合物的構效關系提供精確結構平臺。其中，溶劑輔助配體交換作為一種SC-SC轉換方法，被認為是設計和合成不同孔道尺寸的MOFs材料最有效和可行的策略之一。然而結構轉變后單晶數據的缺失和較差的水穩定性限制了相關MOFs材料的應用前景。因此，開發水穩定的MOFs材料勢在必行，這不僅可以研究配體交換的機理，也可以為功能化材料的設計提供更好的思路。
【成果簡介】
近日，鄭州大學侯紅衛教授課題組采用單晶到單晶的配體交換方法實現了對MOF材料的磁學行為和去除重金屬離子（Hg2+）性能的高效調節，以標題“Modulation of Magnetic Behavior andHg2+ Removal by SolventAssisted Linker Exchange Based on a Water-Stable 3D MOF”在Chem. Mater.上發表，論文第一作者為鄭州大學化學與分子工程學院博士研究生邵志超，通訊作者為鄭州大學侯紅衛教授。該團隊一直致力于研究MOFs材料中單晶到單晶轉變以及重金屬離子去除方面的探索，相關成果發表在J. Am. Chem. Soc., 2008,130,15222-15223，Chem. Sci.,2017,8,7611-7619，Chem. Commun., 2017,53, 10314-10317，Chem. Commun., 2011,47, 5271-5273等等。
本篇Chem.
展開 6英寸SiC又增一員大將
最近，國產SiC襯底又有新進展——同光晶體成功制備了無微管缺陷的6英寸SiC單晶，“更適合制作高壓、特高壓功率器件”。
據介紹，同光晶體采用了
改進型PVT生長設計方案
，其
6英寸SiC晶片無任何的應力斑出現，晶格基平面彎曲較小，其(004)衍射指數的平均半峰寬低至19弧秒，電阻率分布均勻
。
該成果刊登在《硅酸鹽學報》2021年4月刊，投稿時間為2020年7月。
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創新生長工藝
解決微管缺陷難題
業界經過近30年的努力，已經可以成熟制備無微管缺陷的2-4英寸4H-SiC單晶材料，
但6英寸4H-SiC單晶還存在一定的難度。
同光晶體認為，制備無微管缺陷的6英寸SiC單晶，應當避免多型的產生，而他們的方法是對物理氣相傳輸(PVT)法進行改良。
據介紹，在常規生長裝配條件下，生長組分流的方向部分與生長臺階流方向同向，部分與臺階流方向相向。而同光晶體的改進方案采用了引流裝配或非對稱溫場設計，在生長過程中，生長組分流的方向幾乎都與臺階流的方向相向。
圖1：兩種PVT法示意圖
這種改進工藝有著獨特的優點
——單晶生長表面的組分原子能夠很快達到生長臺階的扭折位，保證了原子臺階的有序推進，從而完整地復制了單晶的晶型結構。
另外，臺階的有序推進不會產生臺階的聚并現象，就不會產生寬大的臺階，從而避免了由于寬臺階產生的二維多型成核現象。因此，改進工藝極大地提高了6英寸n型SiC單晶晶型的穩定性。
展開 
【科普系列】納米SiC纖維在SiCf/SiC復合材料中的應用
l 納米SiC纖維
納米碳化硅(SiC)纖維是一種具有高度取向的單晶纖維，如圖1所示。晶體結構與金剛石相類似，晶內成分均一，化學雜質少，無晶粒邊界且缺陷少。因此具有良好的電化學穩定性、高熔點、高比強度、高彈性模量、低熱膨脹系數，優異的力學性能和高溫抗氧化能力，可作為高溫復合材料的補強增韌體。SiC晶須是一種性能優異的納米增強體，將其引入到纖維布層間和纖維束間的脆性基體中，可有效增加裂紋擴展距離，改善微區基體的脆性，提高微區基體的韌性，從而進一步提高陶瓷基復合材料的力學性能。
圖1 納米SiC纖維
當前，納米碳化硅纖維的制備方法有CVD法、碳熱還原法、熱蒸發法、模板法等。其中大部分報道都是在添加金屬催化劑的情況下，SiC納米線的形核與生長遵循 VLS（vapor-liquid-solid，VLS）或SLS（solution-liquid-solid，SLS）生長機制。一般采用Ni、Au、La、Fe等金屬作為催化劑。此外還有報道中，基于氣-固（vapor-solid，VS）機理制備納米SiC纖維。
展開 【科普系列】納米SiC纖維在SiCf/SiC復合材料中的應用
l 納米SiC纖維
納米碳化硅(SiC)纖維是一種具有高度取向的單晶纖維，如圖1所示。晶體結構與金剛石相類似，晶內成分均一，化學雜質少，無晶粒邊界且缺陷少。因此具有良好的電化學穩定性、高熔點、高比強度、高彈性模量、低熱膨脹系數，優異的力學性能和高溫抗氧化能力，可作為高溫復合材料的補強增韌體。SiC晶須是一種性能優異的納米增強體，將其引入到纖維布層間和纖維束間的脆性基體中，可有效增加裂紋擴展距離，改善微區基體的脆性，提高微區基體的韌性，從而進一步提高陶瓷基復合材料的力學性能。
圖1 納米SiC纖維
當前，納米碳化硅纖維的制備方法有CVD法、碳熱還原法、熱蒸發法、模板法等。其中大部分報道都是在添加金屬催化劑的情況下，SiC納米線的形核與生長遵循 VLS（vapor-liquid-solid，VLS）或SLS（solution-liquid-solid，SLS）生長機制。一般采用Ni、Au、La、Fe等金屬作為催化劑。此外還有報道中，基于氣-固（vapor-solid，VS）機理制備納米SiC纖維。
展開 【天生“我材”】 “半導體貴族”砷化鎵單晶材料
綜上所訴，隨著光電子產業和自動化的發展，用作顯示器件LED、測距、玩具、條形碼識別等應用的高亮度發光管、可見光激光器、近紅外激光器、量子阱大功率激光器等均有極大的市場需求，還有GaAs基高效太陽電池的用量也十分大，對低阻低位錯GaAs產業的需求是十分巨大而迫切的，我國數十億支LED管芯，所有的可見光激光器、高亮度發光管、近紅外激光器等幾乎都依靠進口，且買到的舶來品幾乎都是三四等品，因此生產高質量的低阻GaAs單晶，促進LED管芯、可見光激光器、高亮度發光管和高效率高效太陽電池的商品化生產，這將有力發展我國民族的光電子產業。
當前由于資金、技術和認知等方面的不足，砷化鎵單晶材料在中國并沒有走進大眾生活，實現產業化生產。但新材料全球交易網相信通過業界的共同努力，政府政策上的大力支持，砷化鎵單晶材料產業化會逐步發展，穩步推進，以后廣泛運用將成現實。
來源：新材料全球交易網
展開 日本尖端科技-單晶葉片材料研究利器--計算設備硬件配置
日本在單晶葉片材料的研究方面擁有較為先進的技術。單晶葉片材料是用于航空發動機和渦輪機等高溫、高壓條件下工作的關鍵部件。在單晶葉片材料的研究中，通常涉及以下方面：
1) 材料合成與制備：研究人員會根據需要的性能指標，通過特殊的生長工藝制備單晶葉片材料，以確保其具有良好的高溫、高壓性能。
2) 結構與形態研究：對單晶葉片材料的晶體結構和晶界形態進行研究，以了解其在高溫環境下的力學性能和熱穩定性。
3) 性能測試與評估：通過實驗和測試手段，對單晶葉片材料的高溫強度、疲勞壽命等性能進行評估。
4) 失效分析：對單晶葉片材料在實際工作條件下的失效原因進行分析，以指導材料的改進和優化。
5) 仿真與模擬：利用計算機仿真軟件對單晶葉片材料的性能進行預測和優化，加速材料研發過程。
在單晶葉片材料的研究中，可能會使用多種不同的軟件工具來輔助設計和分析材料性能，例如：
1) 材料建模與仿真軟件：用于模擬單晶葉片材料的晶體結構和性能，例如VASP、Quantum ESPRESSO等。
2) 有限元分析軟件：用于模擬單晶葉片材料在高溫、高壓條件下的力學響應和熱穩定性，例如ANSYS、ABAQUS等。
3) 失效分析軟件：用于分析單晶葉片材料的失效原因和機理，例如MATLAB、Python等。
主要組成部分包括材料樣品、實驗設備、測試儀器、計算機硬件等。在研究單晶葉片材料時，研究人員通常會配備先進的實驗設備和計算機硬件，以確保研究的準確性和高效性。此外，需要對材料的生長和制備過程進行精確控制和優化，確保所得的單晶葉片材料具有優異的性能和穩定性。
展開 單晶材料的“一百種”生長方法，你了解幾個？
起源
單晶是由單個晶體構成的材料，單晶在自然界存在，如金剛石晶體等，也可由人工制成，如鍺和硅單晶等。單晶是由一個晶核長成的，其所有晶胞均呈相同的位向，因而具有各向異性。
圖1：不同種類晶體
圖2：三種晶體
2.制備
單晶材料的制備是將物質的非晶態、多晶態或能夠形成該物質的反應物通過一定的物理或化學手段轉變成單晶狀態的過程。
生長塊狀單晶材料有熔體法、常溫溶液法、高溫溶液法及其它相關方法。
熔融法
從熔體中生長晶體是制備大單晶和特定形狀的單晶最常用的和最重要的一種方法，電子學、光學等現代技術應用中所需要的單晶材料，大部分是用熔體生長方法制備的，如單晶硅，GaAs（氮化鎵），LiNbO3（鈮酸鋰），Nd：YAG（摻釹的鐿鋁石榴石），Al2O3（白寶石）等以及某些堿土金屬和堿土金屬的鹵族化合物等，許多晶體品種早已開始進行不同規模的工業生產。與其他方法相比，熔體生長通常具有生長快、晶體的純度和完整性高等優點。
熔融法生長晶體的簡單原理是將生長晶體的原料熔化，在一定條件下使之凝固，變成單晶。這里包含原料熔化和熔體凝固兩大步驟，熔體必須在受控制的條件下的實現定向凝固，生長過程是通過固-液界面的移動來完成的。
要使熔體中晶體生長，必須使體系的溫度低于平衡溫度。體系溫度低于平衡溫度的狀態成為過冷。的絕對值為過冷度，表示體系過冷程度的大小。過冷度是熔體法晶體生長的驅動力。
展開 電動汽車的800V高壓平臺技術
此外，由于目前SiC MOSFET 單管器件的價格仍為Si IGBT價格的3-5倍，而功率器件是電機控制器中最重要的器件之一，因此也會帶來電機控制器價值量的提升。
在新能源汽車電機控制器當中，電力轉換是通過控制IGBT的開關來實現的。IGBT 受材料本身的局限，較難工作在200℃以上。高功率密度的電機控制器需要高效的電力轉換效率和更高的工作溫度，這對功率器件也提出了更高的要求，如：更低的導通損耗、耐高溫、高導熱能力等。而基于碳化硅（ SiC ）單晶材料的功率器件，具有高頻率、高效率、小體積等優點（比 IGBT 功率器件小70%- 80% ），已經在特斯拉 Model 3 車型中得到了應用。
SiC單晶材料功率器件的優勢
根據 ST 意法半導體資料， SiC器件相比硅基的 IGBT 能夠有更小的體積。
在400V電壓平臺下， SiC能夠比 IGBT 器件擁有2 - 4% 的效率提升 ，而在 750V電壓平臺下其 提升幅度則可增大至3.5%- 8%。
展開 揭秘第三代芯片材料：SiC
目前，雖然在以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體材料研究和部署方面，美、日、歐仍處于世界領先地位。由于其未來戰略意義，我國早已對寬禁帶半導體材料器件研發進行針對性規劃和布局，但是近些年的發展似乎差強人意，究其根本，主要原因是高制造成本和低技術成熟度。現在，隨著國內企業的技術不斷發展和成本的不斷下降，中國的第三代半導體材料有望最先實現國產替代。
華南理工首篇Science：世界首個有序大孔-微孔MOF單晶材料誕生！
1月12日，國際頂級學術期刊Science雜志在線發表了華南理工大學作為第一單位的研究論文“Ordered Macro–Microporous Metal–Organic FrameworkSingle Crystals”（有序大孔-微孔金屬有機骨架單晶）。其中，華南理工大學化學與化工學院沈葵副研究員是論文第一作者，化學與化工學院李映偉教授與美國德克薩斯大學圣安東尼奧分校陳邦林教授為論文的共同通訊作者。這也是華南理工大學首次在Science主刊上以第一單位發表論文。
世界首個有序大孔-微孔MOF單晶材料誕生，成果得到SCIENCE報道
研制出世界第一個有序大孔-微孔MOF單晶材料
說起多孔材料我們很多人都會想到珊瑚、海綿、酒瓶軟木塞等，如果能改變多孔材料的孔徑、排列方式等結構，他們將具有廣闊的應用空間。但是，制備出高度有序、大孔、單晶的穩定多孔材料，對當今科學界來說仍是一個巨大挑戰。
金屬有機骨架（Metal-OrganicFrameworks，簡稱MOFs）就是一類新型的多孔材料。它因其獨特的物理化學性質，在氣體吸附/分離、傳感、催化等領域顯示出巨大的應用潛力。然而，盡管MOFs材料的種類眾多，但目前已報道的絕大部分MOFs材料的孔徑或窗口直徑卻集中在微孔范圍內（小于2 納米），因此極大地限制了其在有大尺寸化合物參與的許多應用。
近年來，科學家們發展了一些有效的合成策略，成功制備出介孔或大孔MOFs材料，但是這些介/大孔多為無序結構，或因其多晶結構而易于坍塌。而此次華南理工大學的科研工作者們送出2018年開門紅的大禮，創新地采用“雙溶劑”法研制出世界第一個有序大孔-微孔MOF單晶材料，有效解決了這些難題。
展開 電動汽車為甚么要上800V
SiC單晶材料功率器件的優勢
根據 ST 意法半導體資料， SiC器件相比硅基的 IGBT 能夠有更小的體積。
在400V電壓平臺下， SiC能夠比 IGBT 器件擁有2 - 4% 的效率提升 ，而在 750V電壓平臺下其 提升幅度則可增大至3.5%- 8%。
碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)誰是寬禁帶(WBG)材料的未來？
第一、二代半導體的硅與砷化鎵屬于低帶隙材料，數值分別為1.12eV(電子伏特)和1.43eV，第三代(寬帶隙)半導體的帶隙，SiC和GaN分別達到3.2eV、3.4eV。
寬禁帶半導體內部電阻非常低，制成的元件與同類硅元件比較，效率可提升70%。低電阻可讓半導體運作時的產生的熱量降低，達到更高的功率與密度，寬禁帶半導體關斷時間極短，能夠在非常高的開關頻率下運作。
不同之處
SiC和GaN雖然經常將它們相提并論，但實際上，他們之間有一些重要的區別。這些差異導致它們有各自的 "最佳搭檔"，即材料最適合的應用。
1
性能對比
碳化硅和氮化鎵半導體通常也被稱為化合物半導體，因為他們是由選自周期表中的多個元素組成的。下圖比較了Si、SiC和GaN材料的性能，這些材料的屬性對電子器件的基本性能特點產生重大影響。
硅、碳化硅，氮化鎵三種材料關鍵特性對比
對于射頻和開關電源設備而言，顯然SiC和GaN兩種材料的性能都優于單質硅的，他們的高臨界場允許這些器件能在更高的電壓和更低的漏電流中操作。高電子遷移率和電子飽和速度允許更高的工作頻率。
展開 關注 | 第三代半導體材料4H-SiC將帶來革命性的變化
4H-SiC功率器件作為一種寬禁帶半導體器件，憑借突出的材料優勢具有耐壓高、導通電阻低、散熱好等優勢。近年來隨著器件的逐步商用，器件的可靠性問題成為新的研究熱點。
本文綜述了本課題組近期在4H-SiC功率二極管可靠性方面的研究進展，通過高溫存儲和高壓反偏可靠性問題的研究，分析了器件性能退化機制。通過重復雪崩可靠性問題的研究，提出了一種可有效提升器件抗重復雪崩能力的終端方案。
作為第三代半導體材料（WBG）的典型代表，
4H碳化硅
（4H-SiC）具有
禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、熱導率高、飽和速度大
等優勢。
借助其優秀的材料特性，4H-SiC功率器件將擁有
更高的轉換效率及開關頻率
，可以輕松實現高壓大電流的高速開關。
相較于傳統Si器件，4H-SiC功率器件可以使相關應用的實現帶來革命性的變化，近年來已獲得了產業界的廣泛關注。
展開 