Verschillen tussen SiC-kristallen met verschillende structuren

Siliciumcarbide (SiC)is een materiaal dat een uitzonderlijke thermische, fysische en chemische stabiliteit bezit en eigenschappen vertoont die verder gaan dan die van conventionele materialen. De thermische geleidbaarheid bedraagt ​​een verbazingwekkende 84W/(m·K), wat niet alleen hoger is dan die van koper, maar ook drie keer zo hoog als die van silicium. Dit toont het enorme potentieel aan voor gebruik in thermische beheertoepassingen. De bandafstand van SiC is ongeveer drie keer zo groot als die van silicium, en de elektrische doorslagsterkte is een orde van grootte hoger dan die van silicium. Dit betekent dat SiC een hogere betrouwbaarheid en efficiëntie kan bieden in hoogspanningstoepassingen. Bovendien kan SiC bij hoge temperaturen van 2000°C nog steeds een goede elektrische geleidbaarheid behouden, wat vergelijkbaar is met grafiet. Dit maakt het een ideaal halfgeleidermateriaal in omgevingen met hoge temperaturen. De corrosieweerstand van SiC is ook buitengewoon uitstekend. De dunne laag SiO2 die op het oppervlak wordt gevormd, voorkomt verdere oxidatie effectief, waardoor het bestand is tegen vrijwel alle bekende corrosieve stoffen bij kamertemperatuur. Dit garandeert de toepassing ervan in ruwe omgevingen.

In termen van kristalstructuur wordt de diversiteit van SiC weerspiegeld in de meer dan 200 verschillende kristalvormen, een kenmerk dat wordt toegeschreven aan de verschillende manieren waarop atomen dicht opeengepakt zijn in de kristallen. Hoewel er veel kristalvormen zijn, kunnen deze kristalvormen grofweg in twee categorieën worden verdeeld: β-SiC met kubieke structuur (zinkblendestructuur) en α-SiC met hexagonale structuur (wurtzietstructuur). Deze structurele diversiteit verrijkt niet alleen de fysische en chemische eigenschappen van SiC, maar biedt onderzoekers ook meer keuzes en flexibiliteit bij het ontwerpen en optimaliseren van op SiC gebaseerde halfgeleidermaterialen.

Onder de vele SiC-kristalvormen zijn de meest voorkomende:3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC en 15R-SiC. Het verschil tussen deze kristalvormen komt vooral tot uiting in hun kristalstructuur. 3C-SiC, ook bekend als kubisch siliciumcarbide, vertoont de kenmerken van een kubieke structuur en is de eenvoudigste structuur onder SiC. SiC met hexagonale structuur kan verder worden onderverdeeld in 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC en andere typen volgens verschillende atomaire arrangementen. Deze classificaties weerspiegelen de manier waarop atomen in het kristal zijn verpakt, evenals de symmetrie en complexiteit van het rooster.

De bandafstand is een belangrijke parameter die het temperatuurbereik en het spanningsniveau bepaalt waarin halfgeleidermaterialen kunnen werken. Van de verschillende kristalvormen van SiC heeft 2H-SiC de hoogste bandbreedte van 3,33 eV, wat wijst op de uitstekende stabiliteit en prestaties onder extreme omstandigheden; 4H-SiC volgt op de voet, met een bandbreedte van 3,26 eV; 6H-SiC heeft een iets lagere bandafstand van 3,02 eV, terwijl 3C-SiC de laagste bandafstand van 2,39 eV heeft, waardoor het op grotere schaal wordt gebruikt bij lagere temperaturen en spanningen.

De effectieve massa van gaten is een belangrijke factor die de gatenmobiliteit van materialen beïnvloedt. De effectieve massa van het gat van 3C-SiC is 1,1 m0, wat relatief laag is, wat aangeeft dat de gatenmobiliteit goed is. De effectieve massa van 4H-SiC in het gat is 1,75 m0 op het basisvlak van de zeshoekige structuur en 0,65 m0 loodrecht op het basisvlak, wat het verschil in elektrische eigenschappen in verschillende richtingen aantoont. De effectieve massa van 6H-SiC in het gat is vergelijkbaar met die van 4H-SiC, maar in het algemeen iets lager, wat een impact heeft op de mobiliteit van de drager. De effectieve massa van het elektron varieert in het bereik van 0,25-0,7 m0, afhankelijk van de specifieke kristalstructuur.

Dragermobiliteit is een maatstaf voor hoe snel elektronen en gaten in een materiaal bewegen. 4H-SiC presteert in dit opzicht goed. De gaten- en elektronenmobiliteit is aanzienlijk hoger dan die van 6H-SiC, waardoor 4H-SiC betere prestaties levert in vermogenselektronische apparaten.

Vanuit het perspectief van alomvattende prestaties is elke kristalvorm vanSiCheeft zijn unieke voordelen. 6H-SiC is geschikt voor de vervaardiging van opto-elektronische apparaten vanwege de structurele stabiliteit en goede luminescentie-eigenschappen.3C-SiCis geschikt voor hoogfrequente en krachtige apparaten vanwege de hoge verzadigde elektronendriftsnelheid. 4H-SiC is een ideale keuze geworden voor vermogenselektronische apparaten vanwege de hoge elektronenmobiliteit, lage aan-weerstand en hoge stroomdichtheid. In feite is 4H-SiC niet alleen het halfgeleidermateriaal van de derde generatie met de beste prestaties, de hoogste mate van commercialisering en de meest volwassen technologie, het is ook het voorkeursmateriaal voor de productie van vermogenshalfgeleiderapparaten onder hoge druk, hoge druk. temperatuur- en stralingsbestendige omgevingen.