Skillnader mellan SiC-kristaller med olika strukturer

Kiselkarbid (SiC)är ett material som har exceptionell termisk, fysikalisk och kemisk stabilitet, som uppvisar egenskaper som går utöver de för konventionella material. Dess värmeledningsförmåga är häpnadsväckande 84W/(m·K), vilket inte bara är högre än koppar utan också tre gånger högre än kisel. Detta visar dess enorma potential för användning i värmehanteringsapplikationer. SiC:s bandgap är ungefär tre gånger så stor som kisel, och dess elektriska fältstyrka är en storleksordning högre än kisel. Detta innebär att SiC kan ge högre tillförlitlighet och effektivitet i högspänningstillämpningar. Dessutom kan SiC fortfarande upprätthålla god elektrisk ledningsförmåga vid höga temperaturer på 2000°C, vilket är jämförbart med grafit. Detta gör det till ett idealiskt halvledarmaterial i högtemperaturmiljöer. Korrosionsbeständigheten hos SiC är också extremt enastående. Det tunna skiktet av SiO2 som bildas på dess yta förhindrar effektivt ytterligare oxidation, vilket gör den resistent mot nästan alla kända frätande ämnen vid rumstemperatur. Detta säkerställer dess tillämpning i tuffa miljöer.

När det gäller kristallstruktur återspeglas SiC:s mångfald i dess mer än 200 olika kristallformer, en egenskap som tillskrivs de olika sätt på vilka atomer är tätt packade i dess kristaller. Även om det finns många kristallformer, kan dessa kristallformer grovt delas in i två kategorier: β-SiC med kubisk struktur (zinkblandningsstruktur) och α-SiC med hexagonal struktur (wurtzitstruktur). Denna strukturella mångfald berikar inte bara de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos SiC, utan ger också forskare fler valmöjligheter och flexibilitet när de designar och optimerar SiC-baserade halvledarmaterial.

Bland de många SiC-kristallformerna inkluderar de vanligaste3C-Sic4H-SiC, 6H-SiC och 15R-SiC. Skillnaden mellan dessa kristallformer återspeglas främst i deras kristallstruktur. 3C-SiC, även känd som kubisk kiselkarbid, uppvisar egenskaperna hos en kubisk struktur och är den enklaste strukturen bland SiC. SiC med hexagonal struktur kan ytterligare delas in i 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC och andra typer enligt olika atomarrangemang. Dessa klassificeringar återspeglar hur atomer packas inuti kristallen, såväl som gittrets symmetri och komplexitet.

Bandgapet är en nyckelparameter som bestämmer temperaturområdet och spänningsnivån inom vilka halvledarmaterial kan arbeta. Bland de många kristallformerna av SiC har 2H-SiC den högsta bandgapbredden på 3,33 eV, vilket indikerar dess utmärkta stabilitet och prestanda under extrema förhållanden; 4H-SiC följer tätt, med en bandgapbredd på 3,26 eV; 6H-SiC har ett något lägre bandgap på 3,02 eV, medan 3C-SiC har det lägsta bandgapet på 2,39 eV, vilket gör den mer allmänt använd vid lägre temperaturer och spänningar.

Den effektiva massan av hål är en viktig faktor som påverkar hålens rörlighet. Hålens effektiva massa för 3C-SiC är 1,1 m0, vilket är relativt lågt, vilket indikerar att hålets rörlighet är bra. Hålets effektiva massa för 4H-SiC är 1,75 m0 på basplanet för den hexagonala strukturen och 0,65 m0 när det är vinkelrätt mot basplanet, vilket visar skillnaden i dess elektriska egenskaper i olika riktningar. Hålens effektiva massa för 6H-SiC liknar den för 4H-SiC, men något lägre totalt sett, vilket påverkar bärarrörligheten. Elektrons effektiva massa varierar i intervallet 0,25-0,7m0, beroende på den specifika kristallstrukturen.

Bärarmobilitet är ett mått på hur snabbt elektroner och hål rör sig i ett material. 4H-SiC presterar bra i detta avseende. Dess hål- och elektronrörlighet är betydligt högre än 6H-SiC, vilket gör 4H-SiC bättre prestanda i kraftelektronikenheter.

Ur perspektivet av omfattande prestanda, varje kristall form avSichar sina unika fördelar. 6H-SiC är lämplig för tillverkning av optoelektroniska enheter på grund av dess strukturella stabilitet och goda luminescensegenskaper.3C-Sicär lämplig för högfrekventa och högeffektsenheter på grund av dess höga mättade elektrondrifthastighet. 4H-SiC har blivit ett idealiskt val för kraftelektroniska enheter på grund av dess höga elektronrörlighet, låga på-motstånd och höga strömtäthet. Faktum är att 4H-SiC inte bara är tredje generationens halvledarmaterial med den bästa prestandan, den högsta graden av kommersialisering och den mest mogna teknologin, det är också det föredragna materialet för tillverkning av krafthalvledarenheter i högtrycks, hög- temperatur och strålningsbeständiga miljöer.