Различия между кристаллами SiC разной структуры

Карбид кремния (SiC)Это материал, обладающий исключительной термической, физической и химической стабильностью, демонстрирующий свойства, превосходящие свойства обычных материалов. Его теплопроводность составляет удивительные 84 Вт/(м·К), что не только выше, чем у меди, но и в три раза выше, чем у кремния. Это демонстрирует его огромный потенциал для использования в приложениях терморегулирования. Ширина запрещенной зоны SiC примерно в три раза больше, чем у кремния, а напряженность электрического поля пробоя на порядок выше, чем у кремния. Это означает, что SiC может обеспечить более высокую надежность и эффективность в высоковольтных приложениях. Кроме того, SiC все еще может сохранять хорошую электропроводность при высоких температурах (2000°C), что сравнимо с графитом. Это делает его идеальным полупроводниковым материалом в высокотемпературных средах. Коррозионная стойкость SiC также чрезвычайно высока. Тонкий слой SiO2, образующийся на его поверхности, эффективно предотвращает дальнейшее окисление, делая его устойчивым практически ко всем известным коррозионным агентам при комнатной температуре. Это обеспечивает его применение в суровых условиях.

Что касается кристаллической структуры, разнообразие SiC отражено в его более чем 200 различных кристаллических формах, что объясняется разнообразием способов плотной упаковки атомов внутри его кристаллов. Хотя существует множество кристаллических форм, эти кристаллические формы можно грубо разделить на две категории: β-SiC с кубической структурой (структура цинковой обманки) и α-SiC с гексагональной структурой (структура вюрцита). Такое структурное разнообразие не только обогащает физические и химические свойства SiC, но также предоставляет исследователям больший выбор и гибкость при проектировании и оптимизации полупроводниковых материалов на основе SiC.

Среди множества кристаллических форм SiC наиболее распространенными являются3C-Карбид кремния, 4H-SiC, 6H-SiC и 15R-SiC. Разница между этими кристаллическими формами в основном отражается в их кристаллической структуре. 3C-SiC, также известный как кубический карбид кремния, обладает характеристиками кубической структуры и является самой простой структурой среди SiC. SiC с гексагональной структурой можно подразделить на 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC и другие типы в соответствии с различным расположением атомов. Эти классификации отражают способ упаковки атомов внутри кристалла, а также симметрию и сложность решетки.

Ширина запрещенной зоны является ключевым параметром, определяющим диапазон температур и уровень напряжения, в которых могут работать полупроводниковые материалы. Среди нескольких кристаллических форм SiC 2H-SiC имеет самую высокую ширину запрещенной зоны 3,33 эВ, что указывает на его превосходную стабильность и эффективность в экстремальных условиях; За ним следует 4H-SiC с шириной запрещенной зоны 3,26 эВ; 6H-SiC имеет немного меньшую ширину запрещенной зоны - 3,02 эВ, тогда как 3C-SiC имеет самую низкую ширину запрещенной зоны - 2,39 эВ, что делает его более широко используемым при более низких температурах и напряжениях.

Эффективная масса дырок является важным фактором, влияющим на подвижность дырок в материалах. Эффективная масса дырок 3C-SiC составляет 1,1m0, что относительно мало, что указывает на хорошую подвижность дырок. Эффективная масса дырок 4H-SiC составляет 1,75m0 в базовой плоскости гексагональной структуры и 0,65m0, когда она перпендикулярна базовой плоскости, что свидетельствует о различии его электрических свойств в разных направлениях. Эффективная масса дырок 6H-SiC аналогична таковой у 4H-SiC, но в целом немного ниже, что влияет на подвижность носителей заряда. Эффективная масса электрона варьируется в пределах 0,25-0,7m0 в зависимости от конкретной кристаллической структуры.

Подвижность носителей — это мера того, насколько быстро электроны и дырки движутся внутри материала. В этом отношении 4H-SiC работает хорошо. Подвижность его дырок и электронов значительно выше, чем у 6H-SiC, что обеспечивает лучшие характеристики 4H-SiC в силовых электронных устройствах.

С точки зрения комплексной производительности каждая кристаллическая формаКарбид кремнияимеет свои уникальные преимущества. 6H-SiC пригоден для изготовления оптоэлектронных устройств благодаря своей структурной стабильности и хорошим люминесцентным свойствам.3C-Карбид кремнияподходит для высокочастотных и мощных устройств из-за высокой скорости дрейфа насыщенных электронов. 4H-SiC стал идеальным выбором для силовых электронных устройств благодаря высокой подвижности электронов, низкому сопротивлению в открытом состоянии и высокой плотности тока. Фактически, 4H-SiC — это не только полупроводниковый материал третьего поколения с лучшими характеристиками, высочайшей степенью коммерциализации и наиболее развитой технологией, но и предпочтительный материал для производства силовых полупроводниковых приборов, работающих под высоким давлением и в условиях высоких температур. температура и радиационно-стойкая среда.