Відмінності кристалів SiC з різною структурою

Карбід кремнію (SiC)це матеріал, який має виняткову термічну, фізичну та хімічну стабільність, виявляючи властивості, які виходять за межі властивостей звичайних матеріалів. Його теплопровідність становить вражаючі 84 Вт/(м·K), що не тільки вище, ніж у міді, але й у три рази вище, ніж у кремнію. Це демонструє його величезний потенціал для використання в системах управління температурою. Ширина забороненої зони SiC приблизно в три рази більша, ніж у кремнію, а напруженість його пробивного електричного поля на порядок вища, ніж у кремнію. Це означає, що SiC може забезпечити більш високу надійність і ефективність у застосуваннях високої напруги. Крім того, SiC все ще може зберігати хорошу електропровідність при високих температурах 2000 °C, що можна порівняти з графітом. Це робить його ідеальним напівпровідниковим матеріалом у високотемпературних середовищах. Корозійна стійкість SiC також надзвичайно видатна. Тонкий шар SiO2, утворений на його поверхні, ефективно запобігає подальшому окисленню, роблячи його стійким до майже всіх відомих корозійних агентів при кімнатній температурі. Це забезпечує його застосування в суворих умовах.

З точки зору кристалічної структури, різноманітність SiC відображається в його більш ніж 200 різних кристалічних формах, характеристика, пов’язана з різними способами щільного розміщення атомів у його кристалах. Хоча існує багато кристалічних форм, ці кристалічні форми можна грубо розділити на дві категорії: β-SiC з кубічною структурою (структура цинкової обманки) і α-SiC з гексагональною структурою (структура вюрцита). Це структурне розмаїття не тільки збагачує фізичні та хімічні властивості SiC, але також надає дослідникам більше можливостей і гнучкості при розробці та оптимізації напівпровідникових матеріалів на основі SiC.

Серед багатьох кристалічних форм SiC найпоширеніші включають3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC і 15R-SiC. Різниця між цими кристалічними формами в основному відображається в їхній кристалічній структурі. 3C-SiC, також відомий як кубічний карбід кремнію, демонструє характеристики кубічної структури та є найпростішою структурою серед SiC. SiC з гексагональною структурою можна далі поділити на 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC та інші типи відповідно до різних атомних схем. Ці класифікації відображають спосіб упаковки атомів усередині кристала, а також симетрію та складність решітки.

Ширина забороненої зони є ключовим параметром, який визначає температурний діапазон і рівень напруги, в яких можуть працювати напівпровідникові матеріали. Серед кількох кристалічних форм SiC 2H-SiC має найбільшу ширину забороненої зони 3,33 еВ, що вказує на його чудову стабільність і продуктивність в екстремальних умовах; 4H-SiC з шириною забороненої зони 3,26 еВ; 6H-SiC має трохи меншу ширину забороненої зони 3,02 еВ, тоді як 3C-SiC має найменшу ширину забороненої зони 2,39 еВ, що робить його більш широким використанням при нижчих температурах і напругах.

Ефективна маса дірок є важливим фактором, що впливає на рухливість дірок матеріалів. Ефективна маса дірок 3C-SiC становить 1,1 м0, що є відносно низьким показником, що вказує на хорошу рухливість дірок. Ефективна маса дірки 4H-SiC становить 1,75 м0 на базовій площині гексагональної структури та 0,65 м0, коли перпендикулярно до базової площини, що демонструє різницю в його електричних властивостях у різних напрямках. Ефективна маса дірок 6H-SiC подібна до маси 4H-SiC, але в цілому трохи нижча, що впливає на рухливість носіїв. Ефективна маса електрона змінюється в межах 0,25-0,7m0 в залежності від конкретної кристалічної структури.

Рухливість носіїв - це міра того, наскільки швидко електрони та дірки рухаються в матеріалі. 4H-SiC добре працює в цьому відношенні. Його рухливість дірок і електронів значно вища, ніж у 6H-SiC, що робить 4H-SiC кращим у потужних електронних пристроях.

З точки зору комплексної продуктивності, кожна кристалічна формаSiCмає свої унікальні переваги. 6H-SiC підходить для виготовлення оптоелектронних пристроїв завдяки своїй структурній стабільності та хорошим люмінесцентним властивостям.3C-SiCпідходить для високочастотних і потужних пристроїв завдяки високій швидкості дрейфу насичених електронів. 4H-SiC став ідеальним вибором для силових електронних пристроїв завдяки високій мобільності електронів, низькому опору увімкнення та високій щільності струму. Фактично, 4H-SiC є не тільки напівпровідниковим матеріалом третього покоління з найкращими характеристиками, найвищим ступенем комерціалізації та найдосконалішою технологією, це також кращий матеріал для виробництва силових напівпровідникових пристроїв під високим тиском, високим тиском. середовищах, стійких до температури та радіації.