Rozdíly mezi krystaly SiC s různou strukturou

Karbid křemíku (SiC)je materiál, který má výjimečnou tepelnou, fyzikální a chemickou stabilitu a vykazuje vlastnosti, které přesahují vlastnosti konvenčních materiálů. Jeho tepelná vodivost je ohromujících 84W/(m·K), což je nejen vyšší než u mědi, ale také třikrát vyšší než u křemíku. To demonstruje jeho obrovský potenciál pro použití v aplikacích tepelného managementu. Bandgap SiC je přibližně třikrát větší než u křemíku a síla jeho průrazného elektrického pole je o řád vyšší než u křemíku. To znamená, že SiC může poskytovat vyšší spolehlivost a účinnost ve vysokonapěťových aplikacích. Kromě toho si SiC může stále udržovat dobrou elektrickou vodivost při vysokých teplotách 2000 °C, což je srovnatelné s grafitem. To z něj dělá ideální polovodičový materiál do prostředí s vysokou teplotou. Mimořádně vynikající je také odolnost SiC proti korozi. Tenká vrstva SiO2 vytvořená na jeho povrchu účinně zabraňuje další oxidaci, díky čemuž je odolný vůči téměř všem známým korozivním činidlům při pokojové teplotě. To zajišťuje jeho použití v náročných prostředích.

Pokud jde o krystalovou strukturu, rozmanitost SiC se odráží v jeho více než 200 různých krystalických formách, což je charakteristika přisuzovaná různým způsobům, kterými jsou atomy hustě zabaleny v jeho krystalech. Přestože existuje mnoho krystalových forem, lze tyto krystalové formy zhruba rozdělit do dvou kategorií: β-SiC s krychlovou strukturou (struktura zinkové směsi) a α-SiC s hexagonální strukturou (struktura wurtzitu). Tato strukturální rozmanitost nejen obohacuje fyzikální a chemické vlastnosti SiC, ale také poskytuje výzkumníkům více možností a flexibility při navrhování a optimalizaci polovodičových materiálů na bázi SiC.

Mezi mnoha krystalovými formami SiC patří ty nejběžnější3C-SiC4H-SiC, 6H-SiC a 15R-SiC. Rozdíl mezi těmito krystalovými formami se odráží především v jejich krystalové struktuře. 3C-SiC, také známý jako kubický karbid křemíku, vykazuje vlastnosti krychlové struktury a je nejjednodušší strukturou mezi SiC. SiC s hexagonální strukturou lze dále rozdělit na 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC a další typy podle různého atomového uspořádání. Tyto klasifikace odrážejí způsob, jakým jsou atomy zabaleny uvnitř krystalu, stejně jako symetrii a složitost mřížky.

Pásmová mezera je klíčovým parametrem, který určuje teplotní rozsah a úroveň napětí, ve kterých mohou polovodičové materiály pracovat. Mezi několika krystalovými formami SiC má 2H-SiC největší šířku pásma 3,33 eV, což ukazuje na jeho vynikající stabilitu a výkon v extrémních podmínkách; Těsně následuje 4H-SiC s šířkou bandgap 3,26 eV; 6H-SiC má o něco nižší bandgap 3,02 eV, zatímco 3C-SiC má nejnižší bandgap 2,39 eV, díky čemuž je široce používán při nižších teplotách a napětích.

Efektivní hmotnost otvorů je důležitým faktorem ovlivňujícím pohyblivost materiálů otvorů. Efektivní hmotnost otvoru 3C-SiC je 1,1 m0, což je relativně málo, což naznačuje, že jeho pohyblivost otvoru je dobrá. Efektivní hmotnost otvoru 4H-SiC je 1,75 m0 na základní rovině šestiúhelníkové struktury a 0,65 m0, když je kolmá na základní rovinu, což ukazuje rozdíl v jeho elektrických vlastnostech v různých směrech. Efektivní hmotnost otvoru u 6H-SiC je podobná jako u 4H-SiC, ale celkově je o něco nižší, což má vliv na mobilitu nosiče. Efektivní hmotnost elektronu se pohybuje v rozmezí 0,25-0,7 m0 v závislosti na konkrétní krystalové struktuře.

Mobilita nosiče je měřítkem toho, jak rychle se elektrony a díry pohybují v materiálu. 4H-SiC si v tomto ohledu vede dobře. Jeho díra a pohyblivost elektronů jsou výrazně vyšší než u 6H-SiC, což činí 4H-SiC lepším výkonem ve výkonových elektronických zařízeních.

Z pohledu komplexního výkonu je každá krystalická formaSiCmá své jedinečné přednosti. 6H-SiC je vhodný pro výrobu optoelektronických zařízení pro svou strukturální stabilitu a dobré luminiscenční vlastnosti.3C-SiCje vhodný pro vysokofrekvenční a výkonná zařízení díky vysoké rychlosti driftu nasycených elektronů. 4H-SiC se stal ideální volbou pro výkonová elektronická zařízení díky své vysoké mobilitě elektronů, nízkému odporu a vysoké proudové hustotě. Ve skutečnosti není 4H-SiC pouze polovodičovým materiálem třetí generace s nejlepším výkonem, nejvyšším stupněm komercializace a nejvyspělejší technologií, ale je také preferovaným materiálem pro výrobu výkonových polovodičových zařízení ve vysokotlakém a vysokotlakém prostředí odolné vůči teplotám a záření.