Razlike med kristali SiC z različnimi strukturami

Silicijev karbid (SiC)je material, ki ima izjemno termično, fizikalno in kemično stabilnost ter kaže lastnosti, ki presegajo lastnosti običajnih materialov. Njegova toplotna prevodnost je osupljivih 84 W/(m·K), kar ni samo več kot pri bakru, ampak tudi trikrat več kot pri siliciju. To dokazuje njegov ogromen potencial za uporabo v aplikacijah za upravljanje toplote. Pasovni razmik SiC je približno trikrat večji od silicija, njegova prebojna električna poljska jakost pa je za red velikosti višja od silicija. To pomeni, da lahko SiC zagotovi večjo zanesljivost in učinkovitost pri visokonapetostnih aplikacijah. Poleg tega lahko SiC še vedno ohranja dobro električno prevodnost pri visokih temperaturah 2000 °C, kar je primerljivo z grafitom. Zaradi tega je idealen polprevodniški material v okoljih z visoko temperaturo. Tudi odpornost SiC proti koroziji je izjemno izjemna. Tanka plast SiO2, ki se tvori na njegovi površini, učinkovito preprečuje nadaljnjo oksidacijo, zaradi česar je odporen na skoraj vse znane korozivne snovi pri sobni temperaturi. To zagotavlja njegovo uporabo v težkih okoljih.

Kar zadeva kristalno strukturo, se raznolikost SiC odraža v njegovih več kot 200 različnih kristalnih oblikah, kar je značilnost, ki jo pripisujejo različnim načinom, na katere so atomi gosto zapakirani v njegovih kristalih. Čeprav obstaja veliko kristalnih oblik, lahko te kristalne oblike grobo razdelimo v dve kategoriji: β-SiC s kubično strukturo (struktura cinkove mešanice) in α-SiC s heksagonalno strukturo (struktura wurtzita). Ta strukturna raznolikost ne le obogati fizikalne in kemijske lastnosti SiC, ampak tudi raziskovalcem omogoča večjo izbiro in prilagodljivost pri načrtovanju in optimizaciji polprevodniških materialov na osnovi SiC.

Med številnimi kristalnimi oblikami SiC so najpogostejše3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC in 15R-SiC. Razlika med temi kristalnimi oblikami se odraža predvsem v njihovi kristalni strukturi. 3C-SiC, znan tudi kot kubični silicijev karbid, ima značilnosti kubične strukture in je najpreprostejša struktura med SiC. SiC s heksagonalno strukturo lahko nadalje razdelimo na 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC in druge vrste glede na različne atomske ureditve. Te klasifikacije odražajo način, kako so atomi pakirani znotraj kristala, pa tudi simetrijo in kompleksnost mreže.

Pasovna vrzel je ključni parameter, ki določa temperaturno območje in napetostni nivo, v katerem lahko delujejo polprevodniški materiali. Med številnimi kristalnimi oblikami SiC ima 2H-SiC najvišjo pasovno širino 3,33 eV, kar kaže na njegovo odlično stabilnost in delovanje v ekstremnih pogojih; Tesno mu sledi 4H-SiC s širino pasovne vrzeli 3,26 eV; 6H-SiC ima nekoliko manjši pasovni razmik 3,02 eV, medtem ko ima 3C-SiC najnižji pasovni razmik 2,39 eV, zaradi česar se širše uporablja pri nižjih temperaturah in napetostih.

Efektivna masa lukenj je pomemben dejavnik, ki vpliva na mobilnost lukenj materialov. Efektivna masa lukenj 3C-SiC je 1,1 m0, kar je razmeroma nizko, kar kaže, da je mobilnost lukenj dobra. Efektivna masa luknje 4H-SiC je 1,75 m0 na osnovni ravnini heksagonalne strukture in 0,65 m0, ko je pravokotna na osnovno ravnino, kar kaže na razliko v njegovih električnih lastnostih v različnih smereh. Efektivna masa lukenj 6H-SiC je podobna masi 4H-SiC, vendar na splošno nekoliko nižja, kar vpliva na njegovo mobilnost nosilca. Efektivna masa elektrona se spreminja v območju 0,25-0,7m0, odvisno od specifične kristalne strukture.

Mobilnost nosilcev je merilo, kako hitro se elektroni in luknje premikajo v materialu. 4H-SiC se v tem pogledu dobro obnese. Njegova mobilnost lukenj in elektronov je znatno večja kot pri 6H-SiC, zaradi česar je 4H-SiC boljši v močnostnih elektronskih napravah.

Z vidika celovitega delovanja je vsaka kristalna oblikaSiCima svoje edinstvene prednosti. 6H-SiC je zaradi svoje strukturne stabilnosti in dobrih luminiscenčnih lastnosti primeren za izdelavo optoelektronskih naprav.3C-SiCje zaradi visoke hitrosti odnašanja nasičenih elektronov primeren za visokofrekvenčne in zmogljive naprave. 4H-SiC je postal idealna izbira za močnostne elektronske naprave zaradi svoje visoke mobilnosti elektronov, nizkega upora in visoke gostote toka. Pravzaprav 4H-SiC ni le polprevodniški material tretje generacije z najboljšo zmogljivostjo, najvišjo stopnjo komercializacije in najbolj zrelo tehnologijo, je tudi prednostni material za proizvodnjo močnostnih polprevodniških naprav v visokotlačnih, visoko okolja, odporna na temperaturo in sevanje.