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碳化硅性能

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碳化硅在自然界几乎不存在,工业上应用的碳化硅是一种人造材料。工业方法生产碳化硅,通常是由SiO2粉和碳粉在高温下还原反应生成。碳化硅分子式为SiC,碳化硅是典型的共价键结合的化合物,它有α和β两种晶型,即立方型和六方型。立方型称为β—SiC,它是在1800℃—2000℃形成,属低温产物,主要用于微型轴承的超精研磨。六方型称为α—SiC,它是在2000℃以上形成的。碳化硅在一个大气压下的分解温度为2400℃,无熔点。α—SiC的理论密度是3.18g/cm3,其莫氏硬度在9.2—9.3之间,显微硬度3300kg/cm2。

碳化硅耐高温,与强酸、强碱均不起反应,导电导热性好,具有很强的抗辐射能力。用碳化硅粉直接升华法可制得大体积和大面积碳化硅单晶。用碳化硅单晶可生产绿色或蓝色发光二极管、场效应晶体管,双极型晶体管。用碳化硅纤维可制成雷达吸波材料,在军事工业中前景广阔。碳化硅超精细微粉是生产碳化硅陶瓷的理想材料。碳化硅陶瓷具有优良的常温力学性能,如高的抗弯强度,优良的抗氧化性,耐腐蚀性,非常高的抗磨损以及低的磨擦系数,而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最好的材料,如晶须补强可改善碳化硅的韧性和强度。

由于碳化硅优异的理化性能,使其在石油、化工、微电子、汽车、航天航空、激光、原子能、机械、冶金行业中广泛得到应用。如砂轮、喷咀、轴承、密封件、燃气轮机动静叶片,反射屏基片,发动机部件,耐火材料等。

碳化硅虽然是一种优良的磨料及优异的功能材料,但冶炼碳化硅耗电量大,平均每吨耗电9000度,占生产成本的30%以上。

超细粉体技术是近几年发展起来的一门新技术,涉及到材料、化工、军工、航天、电子、机械、控制、力学、物理、化学、光学、电磁学、机械力化学、理论力学、流体力学、空气动力学等多种学科和多领域,其综合性高,涉及面广,是典型的多学科交叉新领域。

高纯碳化硅粉体材料中的超精细碳化硅微粉,由于粒度细,分布窄,质量均匀,因而具有比表面积大,表面活性高,化学反应快,溶解度大,烧结温度低且烧结强度高,填充补强性能好等特性,以及独特的电性、磁性、光学性能等,广泛应用于国防建设、高技术陶瓷、微电子及信息材料产业,市场前景看好。

国防建设是国家经济稳定发展的柱石,国防建设提出的材料性能问题往往不但有一定的科学深度,而且有显著的经济、社会效益,能带动和促进企业的发展,特别是能拓宽市场和研究领域,促进科技与经济的结合,促进企业与研究院所和大专院校的结合。防卫和进攻是国防建设的两大主题,超精细碳化硅粉在这两个领域有着举足轻重的作用。用超精细碳化硅复合材料制造成坦克和装甲车复合板,这种复合板较普通坦克钢板重量轻30%—50%,而抗冲击力可较之提高1—3倍,是一种极好的复合材料。在电子对抗干扰试验中,将各种金属超细化与碳化硅粉体材料制成混合物,用于干扰弹中,对敌方电磁波的屏蔽与干扰效果良好。隐形、隐身飞机、舰船、坦克、装甲车辆为了躲避雷达及卫星的电磁信号,通常采用超精细碳化硅等非金属材料为制造材料。最新研究发现,采用粒径小于5微米的碳化硅超精细微粉制成的涂层涂覆在舰船外表面上可防止海水对其表面的电化学腐蚀,因为碳化硅超精细微粉既具有良好的防腐性能,又具有良好的导电性能。

具有特殊功能(电、磁、声、光、热、化学、力学、生物学等)的高技术陶瓷是近20年迅速发展的新材料,被称之为继金属材料和高分子材料后的第三大材料。在制备高性能陶瓷材料时,原料越纯、粒度越细,材料的烧结温度越低,强度和韧性越高。一般要求原料的粒度小于1微米甚至更细,如果原料的细度达到纳米级,则制备的陶瓷称之为纳米陶瓷,性能更加优异,是当今陶瓷材料发展的最高境界。高纯碳化硅粉体材料是高技术陶瓷材料的重要组成部分,用碳化硅微粉制成的喷咀、轴承、测温保护管、密封件活跃在国民经济各个领域。一旦我公司纳米级碳化硅超精细微粉工业化生产研制成功,陶瓷发动机的制造将不再是梦想。

现代微电子和电子信息产业最近几年发展很快,推动了社会的进步,是朝阳产业,可以说二十一世纪是电子信息的时代,信息离不开传输媒体——电脑,硅晶片是电脑最基本的组成元件,碳化硅粉体材料是切割硅晶片的主要原料,所以说,现代微电子和电子信息产业与碳化硅粉体材料的发展息息相关。随着全球电子信息及太阳能光伏产业对硅晶片需求量的快速增长,硅晶片线切割用碳化硅微粉的需求量也正在迅速增加。

以碳化硅(SiC)及GaN为代表的宽禁带材料,是继Si和GaAs之后的第三代半导体。与Si及GaAs相比,SiC具有宽禁带、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、化学性能稳定等优点。所以,SiC特别适合于制造高温、高频、高功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件。此外,六方SiC与GaN晶格和热膨胀相匹配,也是制造高亮度GaN发光和激光二极管的理想衬底材料。SiC晶体目前主要应用于光电器件如蓝绿光发光二极管以及紫外光激光二极管和功率器件包括大功率肖托基二极管,MES晶体管微波器件等。

与硅(Si)和砷化镓(GaAs)为代表的传统半导体材料相比,碳化硅(SiC)半导体在工作度、抗辐射、耐高击穿电压性能等方面具有很大优势。 碳化硅(SiC)作为目前发展最成熟的宽带隙半导体材料,具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,其优异的性能可以满足现代电子技术对高温、高频、高功率、高压以及抗辐射的新要求,因而是半导体材料领域最有前景的材料之一。碳化硅(SiC)半导体器件在航空、航天探测、核能开发、卫星、石油和地热钻井勘探、汽车发动机等高温(350~500oC)和抗辐射领域具有重要应用;

高频、高功率的碳化硅(SiC)器件在雷达、通信和广播电视领域具有重要的应用前景;(目前航天和军工下属的四家院所已有两家开始使用,订货1亿/年,另两家还在进行测试,在航天宇航碳化硅器件是不可取代的,可以抵御太空中强大的射线辐射及巨大的差,在核战或强电磁干扰作用的时候,碳化硅电子器件的耐受能力远远强于硅基器件,雷达、通信方面有重要作用)

此外,由于碳化硅(SiC)晶体与氮化镓(GaN)晶体在晶格和热膨胀性能相匹配,以及具有优良的热导性能,碳化硅半导体晶片也成为制造大尺寸,超高亮度白光和蓝光氮化镓(GaN)发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的理想衬底材料, 为光电行业的关键基础材料之一。 市场现状早在上个世纪六十年代初,碳化硅半导体在物理、电子等方面的性能远优于硅半导体这一特征便被广泛认知。 经过近五十年的发展,硅半导体产业已成为全球每年近万亿美元的巨型产业,而以碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体产业还正处于起步阶段,2005年全球SiC半导体产业规模为10亿美元。这是因为在上个世纪六十年代,单晶硅生长技术已经渐趋成熟,而掌握碳化硅晶体生长技术只是九十年代末期之事。

经过数十年不懈的努力,目前,全球只有少数的大学和研究机构研发出了碳化硅晶体生长和加工技术。在产业化方面,只有以美国Cree为代表的少数几家能够提供碳化硅晶片,国内的碳化硅晶片的需求全赖于进口。目前,全球市场上碳化硅晶片价格昂贵,一片2英寸碳化硅晶片的国际市场价格高达500美元(2006年),但仍供不应求,高昂的原材料成本占碳化硅半导体器件价格的百分之四十以上,碳化硅晶片价格已成为第三代半导体产业发展的瓶颈。因而,采用最先进的碳化硅晶体生长技术,实现规模化生产,降低碳化硅晶片生产成本,将促进第三代半导体产业的迅猛发展,拓展市场需求。

关键技术:自行研发,设计制造了碳化硅晶体生长的设备,采用创新的技术路线实现碳化硅晶体生长高区等关键晶体生长条件的产生和控制;自行研发了碳化硅单晶生长的关键技术:碳化硅晶体生长区的最佳度和度梯度及其精确控制和调节、载气流量和气压的稳定保持、以及籽晶和原料的特殊处理。自行研发了碳化硅晶片加工的关键工艺技术:针对超硬的碳化硅,选取适当种类、粒度和级配的磨料以及适当的加工设备来切割、研磨、抛光;碳化硅晶

片的抛光(CMP)和清洗工艺。(由于自制设备及低廉的电力成本,今年目前的生产成本仅是美国CREE的一半)目前,LED的成本正以每年20%速度降低,估计明年开始,用于普通照明的LED灯将大幅增加。

全能的高品质新光源在景观照明上替代霓虹灯,节能70%;在交通信号灯上替代白炽灯,节能80%;目前的发光效率已高于白炽灯,预计2010年将超过荧光灯,进入占全球电力消耗15%~20%的普通照明领域,节能效果将更显著。世界各国普遍看好LED照明的发展前景。美国、欧盟、日本和韩国,近年来纷纷为LED度身定制了推广计划并委以重任。在农业上,LED和太阳能电池联手可制成植物灯:白天,让植物尽情吸取阳光中的营养,晚上则用白天收集来的太阳能,让LED灯发出植物所需波长的光,提高农作物的产量。另外,还可以把LED调节成不发紫光的冷光源,用在水下照明,可不生苔藓。目前,LED由于成本较高,而且使用的是硅基底或红宝石基底,最高亮度只有100ml,还是比较暗的,所以目前仅广泛应用于景观照明、建筑外观照明、交通信号灯、道路照明、大尺寸液晶电视背光源和汽车照明等,我们的手机中大部分按键灯及闪光灯都是LED的。美国Cree开发出了以碳化硅为基底的高亮蓝光晶片,因为碳化硅可以承受上千伏的高压和500度的高,所以它的最高亮度可以达到1000-1500ml,完全可以取代普通照明灯。目前我们可以见到的100元左右的LED高亮手电就是使用CREE的产品,还有一些高档轿车的车灯已经开始使用LED。如果利用LED照明取代灯泡的话,能节电70%左右。普通的白炽灯功率一般为40~60W,而LED灯只需3~6W,并可将寿命延长到3万~5万小时,虽然LED照明器具的价格比普通电灯泡贵,但这些额外成本将在3~5年内省回来。以前世界上只有CREE可以生产碳化硅晶片,现在我们的天富也可以工业化生产。

夏普于2007年8月30日举行了由太阳能电池和白色LED照明组合而成的室外照明灯“LN-LW3A1/LN-LS2A”产品说明会。该室外照明灯由夏普于2007年7月17日发布,8月21日开始供货。明照灯的亮度为1800lm(LN-LW3A1),约为该原产品的6倍,“在利用太阳能电池驱动的LED照明灯中为业界最高水平”。耗电与亮度同等、光源采用32W级荧光灯的室外照明灯大体相同。利用太阳能电池驱动,无需专门布线供电。夏普推算,与通过电源驱动的室外照明灯相比,每年可减少153.3kWh的耗电和48.2kg的CO2排放量。光源使用寿命约达4万小时(亮度降至初期的70%之前)的白色LED,因此与使用寿命约达5000小时的荧光灯的室外照明灯相比,维护更方便。夏普表示,使用荧光灯时,10年内必须要更换约5次光源(每天照明12小时),而此次的室外照明灯可在约10年内无需更换。 2007年8月31日PHILIP宣布完成收购 Kinetics 后,GE将收购Cree与Philips竞争的传言又浮出水面,周五Cree的股票价格也因此暴涨。尽管目前还未有证据证实这一交易,Forbes杂志的一篇文章中引用投资CIBC世界市场分析师Daniel Gelbtuch的话,认为如果属实,从制造商角度来看这一收购事件意义深远。GE很明显地面对这样一个情况:如果想长期占有照明市场份额,就不得不壮大LED产品组合,而剩下的最后一块蛋糕就是Cree了。两大传统照明巨头的收购意味着半导体照明时代的来临。目前新加坡已经从策上规定,公共场所例如宾馆和走廊、27万台电梯的照明,全部要换上LED的照明,这是强制性的推广。


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