Forskelle mellem SiC-krystaller med forskellige strukturer

Siliciumcarbid (SiC)er et materiale, der besidder enestående termisk, fysisk og kemisk stabilitet, og som udviser egenskaber, der går ud over konventionelle materialer. Dens termiske ledningsevne er forbløffende 84W/(m·K), hvilket ikke kun er højere end kobber, men også tre gange højere end silicium. Dette viser dets enorme potentiale til brug i termiske styringsapplikationer. SiC's båndgab er cirka tre gange større end silicium, og dens elektriske feltstyrke er en størrelsesorden højere end silicium. Dette betyder, at SiC kan give højere pålidelighed og effektivitet i højspændingsapplikationer. Derudover kan SiC stadig opretholde en god elektrisk ledningsevne ved høje temperaturer på 2000°C, hvilket kan sammenlignes med grafit. Dette gør det til et ideelt halvledermateriale i højtemperaturmiljøer. Korrosionsbestandigheden af ​​SiC er også ekstremt fremragende. Det tynde lag af SiO2 dannet på dens overflade forhindrer effektivt yderligere oxidation, hvilket gør det modstandsdygtigt over for næsten alle kendte ætsende midler ved stuetemperatur. Dette sikrer dens anvendelse i barske miljøer.

Med hensyn til krystalstruktur afspejles SiC's mangfoldighed i dets mere end 200 forskellige krystalformer, en egenskab, der tilskrives de forskellige måder, hvorpå atomer er tæt pakket i dets krystaller. Selvom der er mange krystalformer, kan disse krystalformer groft opdeles i to kategorier: β-SiC med kubisk struktur (zinkblandingsstruktur) og α-SiC med hexagonal struktur (wurtzitstruktur). Denne strukturelle mangfoldighed beriger ikke kun de fysiske og kemiske egenskaber af SiC, men giver også forskere flere valgmuligheder og fleksibilitet, når de designer og optimerer SiC-baserede halvledermaterialer.

Blandt de mange SiC-krystalformer omfatter de mest almindelige3C-SiC4H-SiC, 6H-SiC og 15R-SiC. Forskellen mellem disse krystalformer afspejles hovedsageligt i deres krystalstruktur. 3C-SiC, også kendt som kubisk siliciumcarbid, udviser egenskaberne af en kubisk struktur og er den enkleste struktur blandt SiC. SiC med hexagonal struktur kan yderligere underopdeles i 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC og andre typer i henhold til forskellige atomarrangementer. Disse klassifikationer afspejler den måde, atomer er pakket inde i krystallen, såvel som symmetrien og kompleksiteten af ​​gitteret.

Båndgabet er en nøgleparameter, der bestemmer temperaturområdet og spændingsniveauet, som halvledermaterialer kan fungere i. Blandt de mange krystalformer af SiC har 2H-SiC den højeste båndgab-bredde på 3,33 eV, hvilket indikerer dens fremragende stabilitet og ydeevne under ekstreme forhold; 4H-SiC følger tæt med en båndgab-bredde på 3,26 eV; 6H-SiC har et lidt lavere båndgab på 3,02 eV, mens 3C-SiC har det laveste båndgab på 2,39 eV, hvilket gør det mere udbredt ved lavere temperaturer og spændinger.

Den effektive masse af huller er en vigtig faktor, der påvirker materialers hulmobilitet. Den effektive hulmasse af 3C-SiC er 1,1 m0, hvilket er relativt lavt, hvilket indikerer, at dets hulmobilitet er god. Hullets effektive masse af 4H-SiC er 1,75m0 på basisplanet af den sekskantede struktur og 0,65m0, når det er vinkelret på basisplanet, hvilket viser forskellen i dets elektriske egenskaber i forskellige retninger. Den effektive hulmasse af 6H-SiC svarer til den for 4H-SiC, men lidt lavere samlet set, hvilket har indflydelse på dens bærermobilitet. Elektronens effektive masse varierer i området 0,25-0,7m0, afhængigt af den specifikke krystalstruktur.

Bærermobilitet er et mål for, hvor hurtigt elektroner og huller bevæger sig i et materiale. 4H-SiC klarer sig godt i denne henseende. Dens hul- og elektronmobilitet er betydeligt højere end 6H-SiC, hvilket gør 4H-SiC til bedre ydeevne i kraftelektroniske enheder.

Fra perspektivet af omfattende ydeevne, hver krystal form afSiChar sine unikke fordele. 6H-SiC er velegnet til fremstilling af optoelektroniske enheder på grund af dets strukturelle stabilitet og gode luminescensegenskaber.3C-SiCer velegnet til højfrekvente enheder med høj effekt på grund af dens høje mættede elektrondriftshastighed. 4H-SiC er blevet et ideelt valg til strømelektroniske enheder på grund af dets høje elektronmobilitet, lave modstandsdygtighed og høj strømtæthed. Faktisk er 4H-SiC ikke kun tredje generations halvledermateriale med den bedste ydeevne, den højeste grad af kommercialisering og den mest modne teknologi, det er også det foretrukne materiale til fremstilling af krafthalvlederenheder i højtryks-, høj- temperatur og strålingsbestandige omgivelser.