Różnice pomiędzy kryształami SiC o różnych strukturach

Węglik krzemu (SiC)to materiał charakteryzujący się wyjątkową stabilnością termiczną, fizyczną i chemiczną, wykazujący właściwości wykraczające poza właściwości materiałów konwencjonalnych. Jego przewodność cieplna wynosi zdumiewające 84 W/(m·K), czyli jest nie tylko wyższa niż w przypadku miedzi, ale także trzykrotnie większa niż w przypadku krzemu. To pokazuje jego ogromny potencjał do wykorzystania w zastosowaniach związanych z zarządzaniem ciepłem. Pasmo wzbronione SiC jest około trzykrotnie większe niż w przypadku krzemu, a natężenie pola elektrycznego przebicia jest o rząd wielkości wyższe niż w przypadku krzemu. Oznacza to, że SiC może zapewnić wyższą niezawodność i wydajność w zastosowaniach wysokiego napięcia. Dodatkowo SiC może nadal utrzymywać dobrą przewodność elektryczną w wysokich temperaturach 2000°C, co jest porównywalne z grafitem. To sprawia, że ​​jest to idealny materiał półprzewodnikowy w środowiskach o wysokiej temperaturze. Odporność na korozję SiC jest również wyjątkowo wyjątkowa. Cienka warstwa SiO2 utworzona na jego powierzchni skutecznie zapobiega dalszemu utlenianiu, czyniąc go odpornym na prawie wszystkie znane czynniki korozyjne w temperaturze pokojowej. Zapewnia to jego zastosowanie w trudnych warunkach.

Jeśli chodzi o strukturę kryształów, różnorodność SiC znajduje odzwierciedlenie w ponad 200 różnych formach krystalicznych, co jest cechą przypisywaną różnorodnym sposobom gęstego upakowania atomów w kryształach. Chociaż istnieje wiele form krystalicznych, te formy krystaliczne można z grubsza podzielić na dwie kategorie: β-SiC o strukturze sześciennej (struktura blendy cynku) i α-SiC o strukturze heksagonalnej (struktura wurcytu). Ta różnorodność strukturalna nie tylko wzbogaca właściwości fizyczne i chemiczne SiC, ale także zapewnia badaczom większy wybór i elastyczność podczas projektowania i optymalizacji materiałów półprzewodnikowych na bazie SiC.

Wśród wielu form krystalicznych SiC do najpopularniejszych należą:3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC i 15R-SiC. Różnica między tymi formami krystalicznymi odzwierciedla się głównie w ich strukturze krystalicznej. 3C-SiC, znany również jako sześcienny węglik krzemu, wykazuje cechy struktury sześciennej i jest najprostszą strukturą wśród SiC. SiC o strukturze sześciokątnej można dalej podzielić na 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC i inne typy według różnych układów atomowych. Klasyfikacje te odzwierciedlają sposób upakowania atomów w krysztale, a także symetrię i złożoność sieci.

Pasmo wzbronione jest kluczowym parametrem określającym zakres temperatur i poziom napięcia, w jakim mogą pracować materiały półprzewodnikowe. Spośród kilku form krystalicznych SiC, 2H-SiC ma największą szerokość pasma wzbronionego wynoszącą 3,33 eV, co wskazuje na jego doskonałą stabilność i działanie w ekstremalnych warunkach; Tuż za nim znajduje się 4H-SiC z szerokością pasma wzbronionego 3,26 eV; 6H-SiC ma nieco niższe pasmo wzbronione wynoszące 3,02 eV, podczas gdy 3C-SiC ma najniższe pasmo wzbronione wynoszące 2,39 eV, co czyni go szerzej stosowanym w niższych temperaturach i napięciach.

Efektywna masa otworów jest ważnym czynnikiem wpływającym na ruchliwość otworów w materiałach. Efektywna masa dziury 3C-SiC wynosi 1,1 m0, co jest stosunkowo niską wartością, co wskazuje, że ruchliwość dziur jest dobra. Efektywna masa dziury 4H-SiC wynosi 1,75 m0 w płaszczyźnie podstawy sześciokątnej struktury i 0,65 m0 w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny podstawy, co pokazuje różnicę jego właściwości elektrycznych w różnych kierunkach. Efektywna masa dziury 6H-SiC jest podobna do masy 4H-SiC, ale ogólnie jest nieco niższa, co ma wpływ na ruchliwość jego nośnika. Efektywna masa elektronu waha się w zakresie 0,25-0,7m0, w zależności od konkretnej struktury kryształu.

Mobilność nośników jest miarą szybkości poruszania się elektronów i dziur w materiale. 4H-SiC sprawdza się pod tym względem dobrze. Jego ruchliwość dziur i elektronów jest znacznie wyższa niż w przypadku 6H-SiC, co sprawia, że ​​4H-SiC ma lepszą wydajność w urządzeniach energoelektronicznych.

Z punktu widzenia kompleksowego wykonania, każda forma krystalicznaSiCma swoje wyjątkowe zalety. 6H-SiC nadaje się do produkcji urządzeń optoelektronicznych ze względu na swoją stabilność strukturalną i dobre właściwości luminescencyjne.3C-SiCnadaje się do urządzeń o wysokiej częstotliwości i dużej mocy ze względu na wysoką prędkość dryfu nasyconych elektronów. 4H-SiC stał się idealnym wyborem dla urządzeń energoelektronicznych ze względu na wysoką ruchliwość elektronów, niską rezystancję włączenia i wysoką gęstość prądu. W rzeczywistości 4H-SiC to nie tylko materiał półprzewodnikowy trzeciej generacji o najlepszych parametrach, najwyższym stopniu komercjalizacji i najbardziej dojrzałej technologii, ale jest także preferowanym materiałem do produkcji półprzewodnikowych urządzeń mocy w warunkach wysokociśnieniowych i wysokociśnieniowych. środowiska odporne na temperaturę i promieniowanie.