Διαφορές μεταξύ κρυστάλλων SiC με διαφορετικές δομές

Καρβίδιο του πυριτίου (SiC)είναι ένα υλικό που διαθέτει εξαιρετική θερμική, φυσική και χημική σταθερότητα, εμφανίζοντας ιδιότητες που ξεπερνούν αυτές των συμβατικών υλικών. Η θερμική του αγωγιμότητα είναι εκπληκτικά 84W/(m·K), η οποία είναι όχι μόνο υψηλότερη από τον χαλκό αλλά και τρεις φορές μεγαλύτερη από αυτή του πυριτίου. Αυτό καταδεικνύει τις τεράστιες δυνατότητές του για χρήση σε εφαρμογές θερμικής διαχείρισης. Το διάκενο ζώνης του SiC είναι περίπου τριπλάσιο από αυτό του πυριτίου και η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου διάσπασής του είναι μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από το πυρίτιο. Αυτό σημαίνει ότι το SiC μπορεί να παρέχει υψηλότερη αξιοπιστία και απόδοση σε εφαρμογές υψηλής τάσης. Επιπλέον, το SiC μπορεί ακόμα να διατηρήσει καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα σε υψηλές θερμοκρασίες 2000°C, που είναι συγκρίσιμες με τον γραφίτη. Αυτό το καθιστά ιδανικό υλικό ημιαγωγών σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας. Η αντίσταση στη διάβρωση του SiC είναι επίσης εξαιρετικά εξαιρετική. Το λεπτό στρώμα SiO2 που σχηματίζεται στην επιφάνειά του αποτρέπει αποτελεσματικά την περαιτέρω οξείδωση, καθιστώντας το ανθεκτικό σε όλους σχεδόν τους γνωστούς διαβρωτικούς παράγοντες σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό εξασφαλίζει την εφαρμογή του σε σκληρά περιβάλλοντα.

Όσον αφορά την κρυσταλλική δομή, η ποικιλομορφία του SiC αντανακλάται στις περισσότερες από 200 διαφορετικές κρυσταλλικές μορφές του, χαρακτηριστικό που αποδίδεται στους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους τα άτομα συσκευάζονται πυκνά στους κρυστάλλους του. Αν και υπάρχουν πολλές κρυσταλλικές μορφές, αυτές οι κρυσταλλικές μορφές μπορούν να χωριστούν χονδρικά σε δύο κατηγορίες: β-SiC με κυβική δομή (δομή μείγματος ψευδαργύρου) και α-SiC με εξαγωνική δομή (δομή wurtzite). Αυτή η δομική ποικιλομορφία όχι μόνο εμπλουτίζει τις φυσικές και χημικές ιδιότητες του SiC, αλλά παρέχει επίσης στους ερευνητές περισσότερες επιλογές και ευελιξία κατά το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση υλικών ημιαγωγών με βάση το SiC.

Μεταξύ των πολλών κρυσταλλικών μορφών SiC, οι πιο κοινές περιλαμβάνουν3C-Ούτω, 4H-SiC, 6H-SiC και 15R-SiC. Η διαφορά μεταξύ αυτών των κρυσταλλικών μορφών αντανακλάται κυρίως στην κρυσταλλική τους δομή. Το 3C-SiC, επίσης γνωστό ως κυβικό καρβίδιο του πυριτίου, παρουσιάζει τα χαρακτηριστικά μιας κυβικής δομής και είναι η απλούστερη δομή μεταξύ του SiC. Το SiC με εξαγωνική δομή μπορεί περαιτέρω να υποδιαιρεθεί σε 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC και άλλους τύπους σύμφωνα με διαφορετικές ατομικές διατάξεις. Αυτές οι ταξινομήσεις αντικατοπτρίζουν τον τρόπο με τον οποίο τα άτομα συσκευάζονται μέσα στον κρύσταλλο, καθώς και τη συμμετρία και την πολυπλοκότητα του πλέγματος.

Το διάκενο ζώνης είναι μια βασική παράμετρος που καθορίζει το εύρος θερμοκρασίας και το επίπεδο τάσης στο οποίο μπορούν να λειτουργήσουν τα υλικά ημιαγωγών. Μεταξύ των πολλών κρυσταλλικών μορφών SiC, το 2H-SiC έχει το υψηλότερο εύρος ζώνης 3,33 eV, υποδεικνύοντας την εξαιρετική σταθερότητα και την απόδοσή του υπό ακραίες συνθήκες. Το 4H-SiC ακολουθεί στενά, με πλάτος διάκενου ζώνης 3,26 eV. Το 6H-SiC έχει ελαφρώς χαμηλότερο διάκενο ζώνης 3,02 eV, ενώ το 3C-SiC το χαμηλότερο διάκενο ζώνης 2,39 eV, καθιστώντας το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και τάσεις.

Η αποτελεσματική μάζα των οπών είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την κινητικότητα των οπών των υλικών. Η αποτελεσματική μάζα της οπής του 3C-SiC είναι 1,1 m0, η οποία είναι σχετικά χαμηλή, υποδεικνύοντας ότι η κινητικότητα των οπών του είναι καλή. Η ενεργός μάζα οπής του 4H-SiC είναι 1,75m0 στο επίπεδο βάσης της εξαγωνικής δομής και 0,65m0 όταν είναι κάθετο στο επίπεδο βάσης, δείχνοντας τη διαφορά στις ηλεκτρικές του ιδιότητες σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Η αποτελεσματική μάζα οπών του 6H-SiC είναι παρόμοια με αυτή του 4H-SiC, αλλά ελαφρώς χαμηλότερη συνολικά, γεγονός που έχει αντίκτυπο στην κινητικότητα του φορέα του. Η αποτελεσματική μάζα του ηλεκτρονίου κυμαίνεται στο εύρος 0,25-0,7m0, ανάλογα με τη συγκεκριμένη κρυσταλλική δομή.

Η κινητικότητα του φορέα είναι ένα μέτρο του πόσο γρήγορα κινούνται τα ηλεκτρόνια και οι οπές μέσα σε ένα υλικό. Το 4H-SiC έχει καλή απόδοση από αυτή την άποψη. Η κινητικότητα των οπών και των ηλεκτρονίων του είναι σημαντικά υψηλότερα από το 6H-SiC, γεγονός που κάνει το 4H-SiC καλύτερη απόδοση σε ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος.

Από την άποψη της συνολικής απόδοσης, κάθε κρυστάλλινη μορφήΟύτωέχει τα μοναδικά του πλεονεκτήματα. Το 6H-SiC είναι κατάλληλο για την κατασκευή οπτοηλεκτρονικών συσκευών λόγω της δομικής του σταθερότητας και των καλών ιδιοτήτων φωταύγειας.3C-Ούτωείναι κατάλληλο για συσκευές υψηλής συχνότητας και υψηλής ισχύος λόγω της υψηλής ταχύτητας μετατόπισης κορεσμένων ηλεκτρονίων. Το 4H-SiC έχει γίνει ιδανική επιλογή για ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος λόγω της υψηλής κινητικότητας των ηλεκτρονίων, της χαμηλής αντίστασης και της υψηλής πυκνότητας ρεύματος. Στην πραγματικότητα, το 4H-SiC δεν είναι μόνο το υλικό ημιαγωγών τρίτης γενιάς με την καλύτερη απόδοση, τον υψηλότερο βαθμό εμπορευματοποίησης και την πιο ώριμη τεχνολογία, αλλά είναι επίσης το προτιμώμενο υλικό για την κατασκευή συσκευών ημιαγωγών ισχύος σε υψηλής πίεσης, υψηλής πίεσης θερμοκρασία και περιβάλλοντα ανθεκτικά στην ακτινοβολία.