Erot eri rakenteellisten SiC-kiteiden välillä

Piikarbidi (SiC)on materiaali, jolla on poikkeuksellinen lämpö-, fysikaalinen ja kemiallinen stabiilisuus, ja sen ominaisuudet ylittävät tavanomaisten materiaalien ominaisuuksia. Sen lämmönjohtavuus on hämmästyttävä 84W/(m·K), joka ei ole vain kuparia korkeampi, vaan myös kolme kertaa piitä korkeampi. Tämä osoittaa sen valtavan käyttöpotentiaalin lämmönhallintasovelluksissa. SiC:n bandgap on noin kolminkertainen piin kaistanleveyteen verrattuna ja sen läpilyöntisähkökentän voimakkuus on suuruusluokkaa suurempi kuin piin. Tämä tarkoittaa, että piikarbidi voi tarjota parempaa luotettavuutta ja tehokkuutta suurjännitesovelluksissa. Lisäksi piikarbidi voi silti säilyttää hyvän sähkönjohtavuuden korkeissa 2000 °C:n lämpötiloissa, mikä on verrattavissa grafiittiin. Tämä tekee siitä ihanteellisen puolijohdemateriaalin korkeissa lämpötiloissa. SiC:n korroosionkestävyys on myös erittäin erinomainen. Sen pinnalle muodostunut ohut SiO2-kerros estää tehokkaasti hapettumisen lisäämistä ja tekee siitä kestävän lähes kaikkia tunnettuja syövyttäviä aineita huoneenlämpötilassa. Tämä varmistaa sen käytön ankarissa ympäristöissä.

Kiderakenteen suhteen piikarbidin monimuotoisuus heijastuu sen yli 200 eri kidemuodossa, mikä johtuu monista tavoista, joilla atomit ovat tiiviisti pakattu sen kiteisiin. Vaikka kidemuotoja on monia, nämä kidemuodot voidaan karkeasti jakaa kahteen luokkaan: β-SiC, jolla on kuutiorakenne (sinkkiseosrakenne) ja α-SiC, jolla on kuusikulmainen rakenne (wurtsiittirakenne). Tämä rakenteellinen monimuotoisuus ei vain rikasta piikarbidin fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, vaan tarjoaa tutkijoille myös enemmän valinnanvaraa ja joustavuutta piikarbidipohjaisten puolijohdemateriaalien suunnittelussa ja optimoinnissa.

Monien piikarbidin kidemuotojen joukossa yleisimpiä ovat mm3C-SiC4H-SiC, 6H-SiC ja 15R-SiC. Näiden kidemuotojen välinen ero heijastuu pääasiassa niiden kiderakenteeseen. 3C-SiC, joka tunnetaan myös kuutiomaisena piikarbidina, on kuutiorakenteen ominaisuudet ja se on yksinkertaisin rakenne piikarbidista. Kuusikulmainen piikarbidi voidaan jakaa edelleen 2H-SiC:iin, 4H-SiC:iin, 6H-SiC:iin ja muihin tyyppeihin erilaisten atomijärjestelyjen mukaan. Nämä luokitukset heijastavat tapaa, jolla atomit pakataan kiteen sisään, sekä hilan symmetriaa ja monimutkaisuutta.

Kaistaväli on keskeinen parametri, joka määrittää lämpötila-alueen ja jännitetason, jolla puolijohdemateriaalit voivat toimia. SiC:n useista kidemuodoista 2H-SiC:llä on suurin kaistanleveys 3,33 eV, mikä osoittaa sen erinomaisen stabiilisuuden ja suorituskyvyn äärimmäisissä olosuhteissa; 4H-SiC seuraa tarkasti, kaistanvälin leveydellä 3,26 eV; 6H-SiC:n kaistaväli on hieman pienempi, 3,02 eV, kun taas 3C-SiC:n matalin kaistaväli on 2,39 eV, joten sitä käytetään laajemmin alhaisissa lämpötiloissa ja jännitteissä.

Reikien tehollinen massa on tärkeä materiaalien reikien liikkuvuuteen vaikuttava tekijä. 3C-SiC:n reiän tehollinen massa on 1,1 m0, mikä on suhteellisen alhainen, mikä viittaa siihen, että sen reiän liikkuvuus on hyvä. 4H-SiC:n reiän tehollinen massa on 1,75m0 kuusikulmaisen rakenteen perustasolla ja 0,65m0 kohtisuorassa perustasoon nähden, mikä osoittaa eron sen sähköisissä ominaisuuksissa eri suuntiin. 6H-SiC:n reiän efektiivinen massa on samanlainen kuin 4H-SiC:n, mutta kokonaisuutena hieman pienempi, mikä vaikuttaa sen kantoaineen liikkuvuuteen. Elektronin tehollinen massa vaihtelee 0,25-0,7 m0, riippuen tietystä kiderakenteesta.

Kantajan liikkuvuus mittaa, kuinka nopeasti elektronit ja reiät liikkuvat materiaalissa. 4H-SiC toimii hyvin tässä suhteessa. Sen reikä ja elektronien liikkuvuus ovat huomattavasti korkeammat kuin 6H-SiC, mikä tekee 4H-SiC:stä Paremman suorituskyvyn tehoelektroniikkalaitteissa.

Näkökulmasta kattavan suorituskyvyn, jokainen kristalli muodossaSiCon ainutlaatuiset etunsa. 6H-SiC soveltuu optoelektronisten laitteiden valmistukseen rakenteellisen stabiiliuutensa ja hyvien luminesenssiominaisuuksiensa ansiosta.3C-SiCsopii korkeataajuisille ja suuritehoisille laitteille suuren kyllästyneiden elektronien ajautumisnopeudensa ansiosta. 4H-SiC:stä on tullut ihanteellinen valinta tehoelektroniikkalaitteille sen suuren elektronien liikkuvuuden, alhaisen päällekytkentävastuksen ja suuren virrantiheyden ansiosta. Itse asiassa 4H-SiC ei ole vain kolmannen sukupolven puolijohdemateriaali, jolla on paras suorituskyky, korkein kaupallistamisaste ja kypsin tekniikka, vaan se on myös ensisijainen materiaali tehopuolijohdelaitteiden valmistukseen korkeapaineisissa ja korkeapaineisissa lämpötilaa ja säteilyä kestäviä ympäristöjä.