今天小编不跟大家讨论高端大气上档次的宝石系列了,聊一个低调奢华有内涵的陶瓷材料。
----碳化硅
大家常见的这个东西黑不溜秋,咋看咋不顺眼,这与其基因是有关的。碳化硅化学式为SiC,可以认为是C与Si的爱情结晶。恰好将Si与C的特性完美的结合了。外表虽然不咋地,但是绝对潜力股,妥妥的第三代宽带半导体扛把子。在未来的高功率器件中都要有一席之地。
不要小瞧这堆黑不溜秋的东东,其貌不扬,但其质逆天。
小编觉得有必要跟大家讲一下SiC的“父母”。
大家知道C可以形成硬度最高材料—钻石,啥样子咱们之前文章都给看过了,本来可以靠实力吃饭的材料最后却以光彩夺目的颜值被世人熟知,大家应该还听过石墨烯,魔角这些鬼东西,这些都是C的变形。只不过石墨烯日常没有钻石那么容易看到。
Si,这个东西大家一定很熟悉了,我们常常听到wafer就是这个元素的单晶,这个材料可以毫不吹牛的说，它就是现在微电子的基石头,没有这个材料,那人类的科技应该还停留在晶体管时代。
C与Si都是第四主族元素，有些会搞事情的科学家就尝试将这2个材料“结合”一下，就产生了今天我们要讲的SiC。它继承了Si的“黑肤色”,本可以低调的,可它继承偏继承了C的某些优秀性能,实力它不允许啊。
来感受下什么叫天生主角光环？感受一下，后面给大家简单说明。
材料 种类 | 带隙 EG/eV | 热导率λ/[W/(cm·K)] | 击穿电场强度EB/(MV/cm) | 迁移率μ/(cm2/Vs) | 饱和速率V (×107cm/s) | 介电常数ε |
5.5 | 22 | 10 | 3 800(空穴）4 500（电子） | 1.5~2.7(电子） 0.85~1.2(空穴） | 5.7 | |
SiC | 3.27 | 4.9 | 3.0 | 1 000（电子） | 2.0（电子） | 9.7 |
GaN | 3.4 | 1.5 | 2.5 | 2 000（电子） | 2.5 | 8.9 |
Si | 1.12 | 1.5 | 0.3 | 1 400（电子） | 1.0 | 11.8 |
之前咱们讲氧化铝热导率好,但它在SiC面前就是渣渣。SiC也继承了金刚石的硬度特性,轻松秒杀一种材料。就因为这个原因,它在一些高温、摩擦等恶劣环境下比氧化铝更耐操。
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就中国近几年竟然可以商用卫星拍摄美国航母舰队，可以做战场动态分析,很大一部分原因都是因为SiC这个材料的应用,那为啥侦测相机需要用SiC了？
上图是目前国际卫星使用的一些反射镜材料;外太空因为不存在热对流,因此同一个物体受阳面跟背阳面的温度差会非常的大。那么这么大的温差如果热导率不好的话会在材料表面形成大的温度梯度,进而产生热应力威胁到镜面的机械强度。 同时卫星绕地球转动就相当于给镜子加热,降温这个过程,那么为了适应这种温度的变化,必须要使用一种热膨胀系数小的材料以保证光学系统的稳定性。综合上面的主要因素,最终SiC是一个不错的选择。这里也为中国的航天人员打call。就这个玩意，目前国际上是对中国禁运的。
SiC既然Si的嫡亲,那么不得不说它在半导体种的应用。我们现在用的硅基半导可以称之为“低功率逻辑计算半导体”，意思是啥？就是这个半导体三极管它只能走比较小的电流,那这个电流只能当作一种信号的传递,是无法驱动一些机构运动或者过载大电流的.所以你看我们的电机控制，需要一个电路板将这种小信号逐步放大来驱动电机.随着技术的进步,科学家开始思考使用给更大是电流来直接驱动一些机械结（晶体管走大电流），于是就有了第三代半导体材料的发现。目前第三代半导是极力被看好的一个是GaN，另一个是SiC.到底用在哪里？
大家可以去查一个名词 IGBT（nsulated Gate Bipolar Transistor）
下面是SiC与传统Si的半导体特性对比.明显能看到，几乎是压倒性优势
还是言归正传，咱们聊聊SiC是怎么弄出来的.
目前最简单粗暴的就将石英与炭粉混合后高温煅烧，往简单讲就是一个还原反应. SiO2+CàSiCO+SiC，一般在炉子里面得到的都是复杂的产物。靠近炉芯的地方反应最充分，得到是一级SiC,其中SiC含量>96%,稍微远一点的，得到的是二级SiC,SiC含量>90%，再远一点区域，就是无定形区,SiC含量>80%，再远一点,称之为粘合层，SiC含量>30%,再远一点基本上就是SiCO,SiCk含量更多.靠近炉子边缘基本就是原料不怎么会有SiC产生。
显然每一层区域的厚度是与炉子的温度分布息息相关的。如何控制温度是1，2级的区域厚度更厚,这是一个有趣的地方。经过磨碎，化学处理,干燥分筛，磁选制程，就变成我们日常看到各种SiC 粉料了。我们平常用的绿硅与黑硅主要是从1级区取出来的。
日常看到的SiC有两种颜色，一种是绿色的,一种是黑色的。相对而言绿色的对原料要求更高。SiC纯度也更高一些。2个大体性能差不多,黑SiC相较绿SiC更韧一点，而绿SiC较黑SiC 更耐磨,导热性更好。
整个过程，与粉体圈圈友相关的就是那一段烧结后的研磨。上面烧结出来的SiC基本上也就是用于一些中低端行业,磨料，出口占大宗, 而我国目前SiC晶圆基本上被国外垄断的,垄断即暴利。
据Yole 市场预测报告到2023年SiC的市场总值将会达到14以美刀。而目前全球80%的产能是控制在美国手中的!
所以，各位大佬们如果想高一点高端制造业投资，可以朝这个方向去搞。
工业2025的目标即使要将欧美的垄断全部打破,俺们要技术独立,所以顺着这个思路去搞,应该不会错的！
这个就是长SiC棒子的炉子( 结构简单,工艺砸钱,享受垄断暴利带来快感)
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作者：青鸟飞鱼
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