SiC IGBT包含了两个专业领域知识，即什么是SiC?什么是IGBT?因这两个领域跨度大，一口气说不清楚，今天先来了解上半部分的内容，即什么是SiC(碳化硅)？SiC这个词现在提的人是越来越多，感觉是个很高端很有技术含量的词，如何才能通俗的了解这个材料呢？SiC是一种两种元素组成的化合物，类似我们平时吃的食盐是NaCl,喝的水是H2O，都是化合物。最早人工合成SiC的方法非常简单粗暴，在140年前，一名美国化学家Acheson通过焦炭与硅石在熔炉中合成了SiC。焦炭大家都不陌生，羊肉烤串常用焦炭来烧烤，硅石就是沙坑里刨出的沙子，把沙子当作羊肉串来高温烘烤，直到把沙子和焦炭都烤融化了，再冷却成固体，就有了SiC晶体。既然焦炭和硅石就合成了碳化硅，为什么日常看到的SiC会有不同颜色呢？那是因为在烤沙子的过程中，加入了一些调料，加入了不同元素在沙子中，最后SiC晶体就呈现出不同的颜色。掺杂N原子的SiC可以呈现绿色、棕色和黄色。掺杂Al后，SiC可以呈现蓝色。SiC这个分子式看上去很奇怪，因为C元素和Si元素都属于IV族元素，这两种元素外层都是4个电子。初中化学老师说过，一个原子最外面2个或8个电子才稳定，C原子外面的4个电子，Si原子外面也是4个电子。如果C和Si两个原子组合一起外层刚好8个电子，那它们就可以稳定存在，不容易轻易分开，C原子和Si原子结合后，中间这种相互吸引的力，称为共价键。
由于这两原子的直径不同，Si原子直径大，C原子直径小，在这两个原子进行组合时，是以四面体的形式呈现的。什么是四面体？就是金字塔的形状，像下面这样。
SiC在组合时，在最小单元上可以看成是C和Si组成的四面体，一个Si外面有四个C，或者看成一个C外面有四个Si。
这种组合成的“硅四角”很牢固，具有独特的物理化学性质。比如它的导入系数高，散热性好，别的材料受到高温就烫的不行，SiC就不一样，它身上像装了电风扇一样，受到烘烤时，它拼命往外散热，能抗高温，因此被广泛应用于大功率器件。也正是这种“硅四角”怎么扯都扯不开，抗击打能力很强，有较大的击穿电场，是功率器件和高频器件的首选材料，这也为后续作为IGBT功率器件打下了基础。当然，SiC材料不是由一个C原子和Si原子四面体组成，而是由许许多多的Si和C组成，从更大的维度来看，C和Si就像组成了一张网。注意，这张网很有特点，它不是普通的一张平面网，而是一张有一定高低起伏的网，上面一层C原子，下面一层Si原子，这种由C、Si原子组成的网称为双原子层。
好了，有了一层C、Si双原子层，还无法形成晶体，把SiC晶体比喻成一块豆腐的话，C-Si双原子层类似千张，必须有成千上万张千张才能叠成豆腐的形状。也就在Si-C双原子层堆叠过程中，出现了各种晶型。这种晶型的差异主要是Si-C双原子排列时，发生周期性变化导致的，Si-C双原子层排列顺序千变万化，现在已知的排列种类有200多种。但我们在实际使用时，不需要奇形怪状的排列方式，因为Si-C双原子层排列越复杂，光电性能就越不受控，而且在生长这种复杂晶体时难度也大，重复性也不好，因此行业上最常见的晶型是以下三种：(1)第一种叫：3C-SiC其中3代表双原子重复层数，就和建楼房一样，以3层为一个固定单元，重复往上建设。C是Cubic（立方晶系）的首字母，代表这种晶体的原子排列以立方晶系排列。这种碳硅双原子层以ABC-ABC顺序重复排列。
(2)第二种叫：4H-SiC其中4代表双原子重复层数，H是hexagonal（密排六方）的首字母，代表这种晶体的双原子层以密排六方排列。这种碳硅双原子层以ABCB-ABCB顺序重复排列。
啥是密排六方？原子排列是下面这样，上下原子都是六边形，中间摆着三个原子。
(3)第三种叫：6H-SiC和前述一样，6代表双原子排列重复层数，H代表密排六方。这种碳硅双原子层以ABCACB-ABCACB顺序重复排列。
这三种晶型排列方式一起整体来看一下：
说了这么多，最后对SiC晶体做一个总结性的描述吧！总的来说，SiC晶体有以下优点：(1)力学性质：SiC晶体具有极高的硬度与良好的耐磨性质，是目前已发现的材料中仅次
于金刚石的晶体。由于SiC力学上的优秀性质，粉晶SiC常被用于切割或磨抛工业，一些工件上的耐磨涂层也会采用SiC涂层，山东舰甲板上的耐磨涂层就是由SiC构成的。(2) 热学性质：SiC的导热系数是传统半导体Si的3倍， GaAs的8倍。采用SiC制备的器件产热可以快速被传导出去，由此SiC器件对散热条件的要求相对较宽松，更适合制备大功率器件。SiC具有稳定的热力学性质。在常压条件下，SiC会在较高温度下直接分解为Si与C的蒸气，而不会发生熔化。(3)化学性质：SiC具有稳定的化学性质，耐腐蚀性能良好，室温条件下不与任何已知的酸发生反应。SiC长时间置于空气中会缓慢的形成一层致密SiO2薄层，阻止进一步的氧化反应。(4)电学性质：SiC作为宽禁带半导体的代表材料，6H-SiC和4H-SiC的禁带宽度分别为 3.0 eV和3.2 eV，是Si的3倍，GaAs 的 2 倍。采用 SiC 制备的半导体器件具有较小的漏电电流，较大的击穿电场，所以 SiC 被认为是大功率器件的理想材料。SiC的饱和电子迁移率也比Si要高2倍，在制备高频器件上也具有明显优势。通过晶体中杂质原子的掺杂可以获得p型 SiC 晶体或者 N 型 SiC 晶体。(5)光学性质：由于具有较宽带隙，无掺杂的SiC晶体呈无色透明。掺杂后的SiC晶体由于其性质的不同表现出不同颜色，例如：掺杂N后，6H-SiC呈现绿色；4H-SiC呈现棕色；15R-SiC呈现黄色。掺杂Al后，4H-SiC呈现蓝色。通过观察颜色的不同来确定晶型，是一种较直观的分辨 SiC 晶型的方法。关于碳化硅器件的行业应用，可以通过下面这张图直观了解一下：
这一章先写到这儿，后面会介绍关于SiC晶体生长相关技术！参考文献：(1)大尺寸碳化硅单晶生长设备及温控方法研究[D] 李鹏程;(2)碳化硅晶体本征缺陷及其性能调控研究[D] 许庭翔;(3)液相法碳化硅晶体生长及其物性研究[D] 张泽盛;