罗杰 · 阿伦（Roger Allan）所期望的那种超硬、耐热和能在全球节省数十亿电力的碳化硅时代终于到来了。用碳化硅制成的电子开关能在硅片受到破坏的条件下继续工作。碳化硅器件可在足以熔化铅的450℃温度下的金星表面上工作。

它是科学上所知道的最硬的物质之一，只有钻石和碳化硼比它硬。它能受得住2000℃的温度。它是一种其弹性为硅所望尘莫及的半导体。它是什么？是碳化硅（Sic），是一种具有一些无比特性的陶瓷材料，它相当于一种天然的磨料，一种坦克装甲板，一种再入大气层飞船的防热罩，一种大型透镜和反射镜的高强度而又质轻的构架。

但是，碳化硅最有希望的新用途是在半导体领域内。它可制成各种特性的器件，用碳化硅制成的传感器和电子开关能在硅片破损的条件下工作，碳化硅装置将能在汽车和飞机发动机内，在地热钻孔内以至在太阳系最热的行星——金星的高温下工作。碳化硅器件也能在高电压下工作，这便可能用固体器件产生大功率的微波以及用全新的电子电路替代物理断路器以控制电力网。

那么为什么现在才掀起碳化硅的轰动呢？这种材料毕竟在实验室里已被冷落了30多年了。回答是研究者只是在最近才发现如何制造能大量生产的稍大些的碳化硅晶片。就靠了这个进步，他们已发展出生长较少缺陷甚至更好的碳化硅晶体技术。

碳化硅晶片这一进展正引起各种工业变革。从发电配电工业到行星探测科学，实用的碳化硅器件将会到处崭露头角。在高清晰度广播电视（HDTV）和汽车排放物监测方面的首次大规模应用已在试验中。

那么是什么使碳化硅如此特别？关键在于电子在这种材料中的行为方式。各种半导体都是晶态材料，其中的原子都被原子键紧密地拉在一起。这样的紧靠使相邻各原子的电子轨道交错起来，多余的电子便可从一个原子向下一个原子自由运动。总的效应便是材料中电子能带的形成。

半导体都是独特的，因为它们的晶格刚好容纳了足够的电子以精确地填满称之为价带的最低能带。这就形成了一咎电子栅锁——没有电流电子便不能运动。所有绝对零度下的半导体都出现这种栅锁，这时的材料相当于一绝缘体。

可是，若给予电子以额外的能量，它们便跃至称为导带的次级能带，于是它们便能运动并形成电流。所以，半导体可相当于绝缘体和导体。价带和导带之间的能量差称为带隙，它决定了这种材料的最重要特性。

也可使半导体按另一种方式传输电流，即借助于将含有过多或过少电子的杂质原子搀入以充填价带。例如，一个氮原子有一个多出的电子填充这个带。在半导体内，这种额外的电子（负电荷）起着电荷载体的作用，因而形成电流。于是搀氮的碳化硅称为负性或n型半导体。相反，铝具有一个电子缺损，于是在电子的栅锁构造中形成一个“空穴”。空穴的行为像一个正电荷，其逆电子流的运动就像栅锁开放时开始运动的汽车之间的空隙。这便是搀铝碳化硅称为正型或p型半导体的原因。

n型或p型半导体所能搬运的电荷量决定于搀杂原子的数目，这在制造时能易于控制。这种精细协调导电特性的能力使半导体成为非常灵活的材料。n型和p型材料都是些晶体管积木块，用以制造从微芯片和收音机到发光二极管和平板显示器的种种装置。

但在某些情况下，半导体的这种特性却受到破坏，使用其制造的二极管和晶体管变得无效。例如若温度升高，电子最终获得足够大的能量而使带隙从价带跳至导带，于是这种材料从半导体变成了导体。

这便是为什么硅芯片和硅传感器在高温时不能工作的理由，最高失效温度约125℃。在汽车和飞机发动机中使用的硅元件必须与高温隔离或加以有效地冷却。

撞车竞赛

半导体的效能也受电压的限制。由于外加电压在半导体晶格内部建立了电场，这电场便加速了导电电子。导电是一种撞车竞赛，即电子加速前进，撞入原子而交出能量，再加速向前，再碰撞，等等。这种毫无节制的驱动的宏观效应称为电阻。

但假如电压足够高，撞人原子的加速电子便将足够的能量转而撞击价电子，使之进入导带。新的导电电子又被加速，于是它们又撞出更多的价电子，从而启动了一种雪崩过程。总效应是一种从半导电状态进入到导电状态的开关效应。

很显然，带隙愈小，就愈不易使半导体在高温度和高电压下工作。室温下的硅，使电子跃过带隙所需要的能量是1.1电子伏特（ev），另一种半导体砷化镓有1.43 ev的带隙。但是碳化硅的带隙为2.9 ev，使这种材料更具恢复力。碳化硅半导体可在大约600℃温度下工作，工作电场也比硅能承受的高10倍。

生长晶体

事实上，制造显示出上述优异特性的碳化硅晶体已证明是困难的。80年代中期，在罗利的北卡罗来纳州立大学使大规模生长碳化硅晶体的方法得以完善后才算取得了重大进展。他们的技术是将粉末状的硅和碳的混合物加热到大约2500℃使之升华，升华后的气体便可凝结在一碳化硅籽晶上。再将最后得到的大晶体切成作碳化硅元件用的晶片。

最大的问题之一是晶体结构中称为微管的缺陷，这是一些使晶体漏电的、破坏材料的有效电子特性的微米级孔洞。生长无微管碳化硅晶体是一项困难的任务，所以研究者便将力量集中在将微管的数量减少到其作用甚小的水平上去。早在80年代，碳化硅晶体尚有至少每平方厘米1000个微管缺陷的水平。

从那以后，这种方法已得到精细调节，最新的碳化硅晶体每平方厘米大约有10个微管缺陷。晶体也更大些。这种晶体是一种蓝色或绿色的半透明的瓷晶片，直径有数厘米，约为一个大硬币的尺寸。厚度范围从数微米到数百微米。

但是碳化硅晶片的制造商仍必须在实用之前将晶片尺寸加大一倍，而缺陷数量则减少到每平方厘米1~2个，成本低廉的碳化硅器件才可以制造出来。也许这是碳化硅工业所面临的最大挑战，当然，制造商都不愿参与解决。

一旦碳化硅衬底生产出来，就必然成为实用器件。这要求研究者在晶片上面生长一个碳化硅薄层。就是要在这些薄层上通过选择性的搀杂和刻蚀而将所希望的电气元件样式制造出来，几乎全部电特性都被限制在这些薄层之内。

科学家用这种方法研制出一种碳化硅半导体器件的原型，使用了每平方厘米100个缺陷的晶片。首次应用中的一个是产生大功率微波，将用于未来的HDTV图像广播。强力的微波通常由一只速调管产生，速调管是一只加速电子、发射微波的真空管。但是速调管是低效能的，大约有一半的能量消耗于发热。速调管也是昂贵的，每只价格达30000美元。

这个价格是想要从一般播送提高到能掌握HDTV的电视台所面对的最大问题之一。依媒体界的权贵鲁珀特 · 墨多克（Rupert Murdock）的说法，这个价格是“绝对吓人的”。他的美国广播网（FOX）面临着一张设备换代的1亿美元的账单。

降低价格的一种方法是用能大量生产因而造价较低的固态器件替代这种真空管。但是像硅和砷化镓这样的传统半导体不能承受为TV发射而产生足够强力的微波所需要的电压。

去年，在涉及碳化硅的全国广播协会的拉斯维加斯大会上，美国威斯汀豪斯电气和诺森洛普 · 格鲁曼工程公司展示了使用固态碳化硅发射机的首次HDTV的现场广播。因为碳化硅器件有80%的效率，其功耗小于速调管。况且，每一组件的价格仅约50美元。威斯汀豪斯公司的研究者相信碳化硅组件今年会大批上市。

碳化硅器件将引起轰动的另一个领域是在内燃机监测和控制方面。这种设备将有助于工程师改善燃料的效能、减少污染物的排放。而常用于此任务的硅电子器件和传感器却只能承受最高125℃的温度，必须将这类器件与发动机零件相接触又要加以隔离以免升至这一温度之上。

测量排放物

相反，碳化硅器件可安置在发动机内的任何部位。它们可直接与汽缸盖接触或放在排气管内以对排放提供更精确测量。较好的测量将导致必要的控制以提高效率并减少排放。这种通用性也意味着将需要更少的接线和接线器，结果便减少了维修并改进了可靠性。

北卡罗来纳州立大学功率半导体研究中心主任杰伊安 · 巴里加（Jayant Baliga）说：“将平常使用硅器件时所需要的无源元件数量削减，可提高汽车电路的可靠性水平”。

高温传感器也能显著地改变军用飞机的操纵方法。美国国防部想在未来的军用飞机上减少甚至取消常用的致冷机。碳化硅器件能取代防止飞机电子器件过热所需的致冷系统。

美国空军相信先进的碳化硅电子器件在一架F-16战斗机上几乎可使飞机卸掉300公斤的重量。这一载荷可代之以额外的燃料或武器。由于没有冷却设备，飞机也将需要的维修减少了。而民用飞机也能受益，每架飞机在节省燃料和减少维修上会省掉数百万元的机务费。

在帕萨第纳的喷气推进实验室和俄亥俄州克利夫兰的国家宇航局（NASA）路易斯研究中心，研究人员已开发了一种单片碳化硅微传感器，能测量一辆汽车的排放系统排出了多少碳氢化物废气。这种JPL传感器包含着一个多孔碳化硅薄层。此薄层吸收了高温碳氢化物气体，便改变了薄层的电导率。而电导率的变化便给出有多少气体被吸收了的量度。到现在为止，只有大型而昂贵的质谱仪才能直接检测碳氢化物气体。

JPL的一位研究者弗吉尔 · 谢尔德斯（Virgil Shields）说：“对这种传感器而言，汽车上的应用只是冰山的尖端。”他解释道：“工业润滑剂的减少，人类环境的遥感和有机物的分解等都是其它可能的应用。”谢尔德斯称他的传感器用不到20美元便能生产出来。

但是有一些难题必须先解决。任何材料在高温下与碳化硅相接触都倾向于与之起反应从而改变其特性。这个最大的问题是由于常与之接触的材料如铝和镍所致。谢尔德斯相信还需要做更多的工作来解决这些问题和其它问题。他说：“我们真正需要的是在商品上生产这种传感器的资金来源”。

也许碳化硅器件最激动人心的应用是在电网中作为控制电力的输出和分配的“灵巧”电子器件。电力公司发现因为电子开关在高压下工作不可靠，要在其电网不同区域作测量和控制变得困难。

开关能力

作为一种替代办法，各公司将测量需求集中在具有机械电压表的发电站中。于是为了保证可靠的服务，便发出了超过需要的电力。按平均而言，各公司的发电量要比所用去的多20%，这是一个巨大的消耗。

碳化硅器件能改变这一切。它们能对整个电网进行遥控操作，按要求测量变化，需要时将电力从一个区域切换到另一区域。由于电力的使用更加有效，就可减少发电余量。巴洛阿托（Palo Alto）电力研究院估计在下一个5年之内备用电力余量只削减5%便会去掉大约价值为500亿美元的新发电设备的需求。类似的效能改进首先会有助于使电力机动车辆生存下来。

碳化硅器件在地球上能节省数十亿美元，而且也能帮助探索太阳系。由于没有冷却气流，人造卫星必须寻找其它方法以散掉舱内电子设备所产生的热。常用的方法是向空间进行热辐射，或使热量去汽化液体再向空间蒸发。但是高温碳化硅器件将使这些成为不必要。同时由于卫星重量的减轻，发射费用也就较低。

碳化硅器件使金星探险成为可能，金星表面的温度约为450℃，高于铅的熔点，这也许是最意想不到的地方。金星之旅尚需时日，面对地球上的生灵来说，碳化硅的好处是近在眼前了。

［New Scientist，1997年6月14日］