Forskjeller mellom SiC-krystaller med forskjellige strukturer

Silisiumkarbid (SiC)er et materiale som har eksepsjonell termisk, fysisk og kjemisk stabilitet, og har egenskaper som går utover konvensjonelle materialer. Dens varmeledningsevne er forbløffende 84W/(m·K), som ikke bare er høyere enn kobber, men også tre ganger høyere enn for silisium. Dette viser dets enorme potensiale for bruk i termiske styringsapplikasjoner. SiCs båndgap er omtrent tre ganger det for silisium, og dets elektriske feltstyrke er en størrelsesorden høyere enn silisium. Dette betyr at SiC kan gi høyere pålitelighet og effektivitet i høyspenningsapplikasjoner. I tillegg kan SiC fortsatt opprettholde god elektrisk ledningsevne ved høye temperaturer på 2000°C, som kan sammenlignes med grafitt. Dette gjør det til et ideelt halvledermateriale i miljøer med høy temperatur. Korrosjonsbestandigheten til SiC er også ekstremt enestående. Det tynne laget av SiO2 dannet på overflaten forhindrer effektivt ytterligere oksidasjon, noe som gjør den motstandsdyktig mot nesten alle kjente korrosive midler ved romtemperatur. Dette sikrer bruken i tøffe miljøer.

Når det gjelder krystallstruktur, gjenspeiles SiCs mangfold i dens mer enn 200 forskjellige krystallformer, en egenskap som tilskrives de forskjellige måtene atomene er tettpakket i krystallene. Selv om det er mange krystallformer, kan disse krystallformene grovt deles inn i to kategorier: β-SiC med kubisk struktur (sinkblandingsstruktur) og α-SiC med heksagonal struktur (wurtzittstruktur). Dette strukturelle mangfoldet beriker ikke bare de fysiske og kjemiske egenskapene til SiC, men gir også forskere flere valgmuligheter og fleksibilitet når de designer og optimaliserer SiC-baserte halvledermaterialer.

Blant de mange SiC-krystallformene inkluderer de vanligste3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC og 15R-SiC. Forskjellen mellom disse krystallformene gjenspeiles hovedsakelig i deres krystallstruktur. 3C-SiC, også kjent som kubisk silisiumkarbid, viser egenskapene til en kubisk struktur og er den enkleste strukturen blant SiC. SiC med sekskantet struktur kan videre deles inn i 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC og andre typer i henhold til forskjellige atomarrangementer. Disse klassifiseringene gjenspeiler måten atomer er pakket inne i krystallen, så vel som symmetrien og kompleksiteten til gitteret.

Båndgapet er en nøkkelparameter som bestemmer temperaturområdet og spenningsnivået som halvledermaterialer kan fungere i. Blant de mange krystallformene av SiC, har 2H-SiC den høyeste båndgapbredden på 3,33 eV, noe som indikerer dens utmerkede stabilitet og ytelse under ekstreme forhold; 4H-SiC følger tett, med en båndgapbredde på 3,26 eV; 6H-SiC har et litt lavere båndgap på 3,02 eV, mens 3C-SiC har det laveste båndgapet på 2,39 eV, noe som gjør den mer utbredt ved lavere temperaturer og spenninger.

Den effektive massen av hull er en viktig faktor som påvirker hullmobiliteten til materialer. Den effektive hullmassen til 3C-SiC er 1,1 m0, noe som er relativt lavt, noe som indikerer at hullmobiliteten er god. Den effektive hullmassen til 4H-SiC er 1,75m0 på basisplanet til den sekskantede strukturen og 0,65m0 når den er vinkelrett på grunnplanet, og viser forskjellen i dens elektriske egenskaper i forskjellige retninger. Den effektive hullmassen til 6H-SiC er lik den til 4H-SiC, men noe lavere totalt sett, noe som har innvirkning på bærermobiliteten. Den effektive massen til elektronet varierer i området 0,25-0,7m0, avhengig av den spesifikke krystallstrukturen.

Bærermobilitet er et mål på hvor raskt elektroner og hull beveger seg i et materiale. 4H-SiC fungerer godt i denne forbindelse. Hull- og elektronmobiliteten er betydelig høyere enn 6H-SiC, noe som gjør 4H-SiC til bedre ytelse i kraftelektroniske enheter.

Fra perspektivet til omfattende ytelse, hver krystall form avSiChar sine unike fordeler. 6H-SiC er egnet for produksjon av optoelektroniske enheter på grunn av dens strukturelle stabilitet og gode luminescensegenskaper.3C-SiCer egnet for enheter med høy frekvens og høy effekt på grunn av sin høye mettede elektrondrifthastighet. 4H-SiC har blitt et ideelt valg for kraftelektroniske enheter på grunn av sin høye elektronmobilitet, lave på-motstand og høye strømtetthet. Faktisk er 4H-SiC ikke bare tredjegenerasjons halvledermateriale med den beste ytelsen, den høyeste graden av kommersialisering og den mest modne teknologien, det er også det foretrukne materialet for produksjon av krafthalvlederenheter i høytrykks, høy- temperatur og strålingsbestandige omgivelser.