碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料的代表，其独特的物理化学特性正推动微机电系统（MEMS）、功率电子、量子器件等领域的革命性发展。本文系统梳理碳化硅材料的核心性能参数及其工程应用要点，为科研工作者提供精准技术参考。

一、物理参数

1.密度 

实测范围：3.21-3.23 g/cm³（仅为钢的40%），在轻量化MEMS传感器、空间载荷结构中优势显著

特殊价值：低密度与高强度的协同效应，助力航空航天器件减重设计。

2.力学特性     

硬度：莫氏硬度9.0-9.5（钻石=10），创半导体材料之最

断裂韧性：3.5-4.5 MPa·m¹/²，需配合梯度化结构设计突破脆性局限

抗弯强度：400-600 MPa（优于氮化硅陶瓷），支撑微纳悬臂梁器件开发

3.热物理参数

热膨胀系数：4.0×10⁻⁶/K（20-1000℃），与砷化镓（5.7×10⁻⁶/K）匹配度更优

热震抗力：ΔT>800℃（水淬实验），适用于高低温循环工况

二、电学参数

1.绝缘性能     

碳化硅具有较高的击穿电压和较低的漏电流，具有优异的绝缘性能，适用于高电压绝缘材料。

2.导电性能     

碳化硅具有较高的电导率，可用作导电材料或电子器件的基底材料。

3.介电常数     

碳化硅的介电常数通常在9到10之间，具有较低的介电常数，使其在高频电子器件中具有优异的性能。

三、热学参数

1.热导率     

碳化硅具有较高的热导率，通常在120到150 W/(m·K)之间，具有优异的热传导性能，适用于高温导热材料。

2.熔点     

碳化硅的熔点约为2730℃，使其在高温应用中能够保持稳定性

3.热阻系数

1.2 K·mm²/W @300K，支持5G基站GaN功放芯片散热需求

四、机械参数

1.强度     

碳化硅具有较高的抗弯强度和抗压强度，具有优异的机械强度，可用于高负荷和高应力环境。

2.脆性     

碳化硅具有较高的脆性，不易塑性变形，易于出现裂纹和断裂，因此在使用过程中需要注意避免过大的应力和冲击。

五、光学参数

折射率    

对于光学应用，碳化硅的折射率no=2.55，ne=2.59，是设计光电器件的关键参数。

六、晶体结构参数

1.晶格常数      

碳化硅的晶格常数a=3.07 Å，c=15.117 Å，决定了其晶体结构的特性。

2.晶体结构     

碳化硅主要有六方晶体结构，不同的堆砌顺序形成了不同的多晶型，如3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC等。

六、特殊性质

1.高温稳定性     

碳化硅在高温下具有良好的稳定性，可在高温环境下长期稳定运行。

2.耐化学腐蚀性     

碳化硅对多种化学物质具有良好的耐腐蚀性。

七、先进表征技术

1. 微区物性检测

纳米压痕技术：测量局部硬度（分辨率达50nm）

微区拉曼光谱：解析应力分布（空间分辨率1μm）

热导率成像：扫描热显微镜（SThM）实现亚微米级热导测绘

2. 缺陷分析手段

深能级瞬态谱（DLTS）：检测Z₁/₂中心（Ev+0.65eV）等关键缺陷

X射线形貌术：观测基平面位错（BPD）密度（目标<10² cm⁻²）

八、典型应用场景

1. MEMS创新应用

高温压力传感器：利用低热膨胀系数特性，在800℃燃气轮机内实现±0.1%FS精度

射频谐振器：4H-SiC微盘谐振器Q值达10⁶@5GHz，优于硅基器件两个数量级

2. 跨尺度集成方案

异质集成：通过SiO₂/Si₃N₄介质层实现SiC-GaN跨代材料键合

三维封装：采用TSV技术实现50:1深宽比通孔，支撑三维MEMS阵列构建

九、材料加工要点

1. 精密加工工艺

激光隐形切割：1064nm皮秒激光（脉宽10ps）实现30μm切缝

等离子体刻蚀：SF₆/O₂混合气体刻蚀速率达500nm/min（选择比>100:1）

原子层抛光：表面粗糙度Ra<0.2nm（满足量子器件基板要求）

2. 可靠性强化策略

钝化处理：PECVD沉积50nm Al₂O₃层，使界面态密度降至10¹⁰ cm⁻²·eV⁻¹

热循环测试：-196℃~600℃ 1000次循环后，杨氏模量衰减<3%