Rozdiely medzi kryštálmi SiC s rôznymi štruktúrami

Karbid kremíka (SiC)je materiál, ktorý má výnimočnú tepelnú, fyzikálnu a chemickú stabilitu a vykazuje vlastnosti, ktoré presahujú vlastnosti bežných materiálov. Jeho tepelná vodivosť je ohromujúcich 84W/(m·K), čo je nielen vyššia ako meď, ale aj trojnásobok v porovnaní s kremíkom. To demonštruje jeho obrovský potenciál využitia v aplikáciách tepelného manažmentu. Bandgap SiC je približne trikrát väčší ako u kremíka a jeho intenzita elektrického poľa je rádovo vyššia ako u kremíka. To znamená, že SiC môže poskytnúť vyššiu spoľahlivosť a účinnosť vo vysokonapäťových aplikáciách. Okrem toho si SiC môže stále udržiavať dobrú elektrickú vodivosť pri vysokých teplotách 2000 °C, čo je porovnateľné s grafitom. To z neho robí ideálny polovodičový materiál do prostredia s vysokou teplotou. Odolnosť SiC proti korózii je tiež mimoriadne vynikajúca. Tenká vrstva SiO2 vytvorená na jeho povrchu účinne zabraňuje ďalšej oxidácii, vďaka čomu je odolný voči takmer všetkým známym korozívnym činidlám pri izbovej teplote. To zaisťuje jeho použitie v náročných podmienkach.

Pokiaľ ide o kryštálovú štruktúru, rozmanitosť SiC sa odráža v jeho viac ako 200 rôznych kryštálových formách, čo je charakteristika pripisovaná rôznym spôsobom, akým sú atómy husto zabalené v jeho kryštáloch. Hoci existuje veľa kryštálových foriem, tieto kryštálové formy možno zhruba rozdeliť do dvoch kategórií: β-SiC s kubickou štruktúrou (štruktúra zinkovej zmesi) a α-SiC s hexagonálnou štruktúrou (štruktúra wurtzitu). Táto štrukturálna rozmanitosť nielen obohacuje fyzikálne a chemické vlastnosti SiC, ale poskytuje výskumníkom aj viac možností a flexibility pri navrhovaní a optimalizácii polovodičových materiálov na báze SiC.

Medzi mnohými kryštálovými formami SiC patria medzi najbežnejšie3C-SiC4H-SiC, 6H-SiC a 15R-SiC. Rozdiel medzi týmito kryštálovými formami sa odráža najmä v ich kryštálovej štruktúre. 3C-SiC, tiež známy ako kubický karbid kremíka, vykazuje vlastnosti kubickej štruktúry a je najjednoduchšou štruktúrou spomedzi SiC. SiC s hexagonálnou štruktúrou možno ďalej rozdeliť na 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC a ďalšie typy podľa rôznych atómových usporiadaní. Tieto klasifikácie odrážajú spôsob, akým sú atómy zabalené vo vnútri kryštálu, ako aj symetriu a zložitosť mriežky.

Pásmová medzera je kľúčovým parametrom, ktorý určuje teplotný rozsah a úroveň napätia, v ktorej môžu polovodičové materiály pracovať. Spomedzi niekoľkých kryštálových foriem SiC má 2H-SiC najväčšiu šírku pásma 3,33 eV, čo naznačuje jeho vynikajúcu stabilitu a výkon v extrémnych podmienkach; Tesne nasleduje 4H-SiC so šírkou bandgap 3,26 eV; 6H-SiC má o niečo nižšiu bandgap 3,02 eV, zatiaľ čo 3C-SiC má najnižšiu bandgap 2,39 eV, vďaka čomu sa častejšie používa pri nižších teplotách a napätiach.

Efektívna hmotnosť otvorov je dôležitým faktorom ovplyvňujúcim pohyblivosť materiálov otvorov. Efektívna hmotnosť otvoru 3C-SiC je 1,1 m0, čo je relatívne málo, čo naznačuje, že jeho pohyblivosť otvoru je dobrá. Efektívna hmotnosť otvoru 4H-SiC je 1,75 m0 na základnej rovine šesťuholníkovej štruktúry a 0,65 m0, keď je kolmá na základnú rovinu, čo ukazuje rozdiel v jeho elektrických vlastnostiach v rôznych smeroch. Efektívna hmotnosť otvoru 6H-SiC je podobná hmotnosti 4H-SiC, ale celkovo je o niečo nižšia, čo má vplyv na mobilitu nosiča. Efektívna hmotnosť elektrónu sa pohybuje v rozmedzí 0,25-0,7 m0 v závislosti od konkrétnej kryštálovej štruktúry.

Mobilita nosiča je mierou rýchlosti pohybu elektrónov a dier v materiáli. 4H-SiC si v tomto smere vedie dobre. Jeho diera a pohyblivosť elektrónov sú výrazne vyššie ako u 6H-SiC, vďaka čomu má 4H-SiC lepší výkon vo výkonových elektronických zariadeniach.

Z pohľadu komplexného výkonu je každá kryštálová formaSiCmá svoje jedinečné výhody. 6H-SiC je vhodný na výrobu optoelektronických zariadení vďaka svojej štruktúrnej stabilite a dobrým luminiscenčným vlastnostiam.3C-SiCje vhodný pre vysokofrekvenčné a vysokovýkonné zariadenia vďaka vysokej rýchlosti driftu nasýtených elektrónov. 4H-SiC sa stal ideálnou voľbou pre výkonové elektronické zariadenia vďaka svojej vysokej mobilite elektrónov, nízkemu odporu a vysokej prúdovej hustote. V skutočnosti 4H-SiC nie je len polovodičovým materiálom tretej generácie s najlepším výkonom, najvyšším stupňom komercializácie a najvyspelejšou technológiou, ale je aj preferovaným materiálom na výrobu výkonových polovodičových zariadení vo vysokotlakových a vysokotlakových zariadeniach. prostredia odolné voči teplote a žiareniu.