كربيد السيليكون 4H مقابل كربيد السيليكون 6H

4H-SiC هو نوع متعدد الاستخدامات من كربيد السيليكون الذي يزداد شيوعًا. ونظرًا لفجوة نطاقه الواسعة وخصائصه الحرارية والكهربائية والميكانيكية الممتازة، فإنه يعد مادة مثالية لتطبيقات إلكترونيات الطاقة.

قمنا بفحص التشوه المرن وسلوك التشقق لعينة عمود 4H-SiC أحادية البلورة ذات اتجاه [0001] من خلال إجراء اختبارات إجهاد الضغط بالتحميل والتفريغ أربع مرات مع أربع دورات تحميل/تفريغ لاختبار إجهاد الضغط.

الصلابة

كربيد السيليكون (يُشار إليه عادةً باسم "الكاربوروندوم" أو "جوهرة التاج") هو أقسى مادة موجودة بشكل طبيعي على الأرض. يتألف كربيد السيليكون من عنصري السيليكون والكربون، ويتواجد كربيد السيليكون بشكل طبيعي في الطبيعة على شكل أحجار مويسانيت؛ وقد بدأ إنتاجه بكميات كبيرة في عام 1893 لاستخدامه كمادة كاشطة وأداة قطع - وعادةً ما يوجد على شكل حبيبات صغيرة كمادة كاشطة أو بلورات كبيرة مفردة مقطوعة إلى أحجار كريمة - أو مقطوعة مباشرة من بلورات كبيرة لاستخدامها كأداة قطع. إن خصائصه تجعله مثاليًا للتطبيقات الكهربائية بسبب متانته ضد درجات الحرارة والفولتية العالية - مما يجعل كربيد السيليكون خيارًا ممتازًا للمواد عند التفكير في التطبيقات الكهربائية.

إن مقاومة 4H-SiC للجهود ودرجات الحرارة العالية تجعلها مادة مفيدة لإنتاج أجهزة الترددات اللاسلكية (RF) مثل مضخمات الطاقة في المحطات الخلوية الأساسية وكذلك أجهزة الاستشعار للاستخدام في الفضاء والسيارات. وعلاوة على ذلك، توفر الموصلية الحرارية الممتازة لهذه المادة كفاءة في تبديد الحرارة من الأجهزة الإلكترونية.

يمكن أن تكون المسافة البادئة النانوية الآلية طريقة مفيدة لقياس الخواص الميكانيكية لمواد 4H-SiC، بما في ذلك الصلابة ومعامل المرونة. ومع ذلك، من المعروف أن هندستها تؤثر على قيم الصلابة في ظروف التحميل المنخفضة - مما قد يؤدي إلى قراءات خاطئة مع ملاحظة التشقق الشديد في زوايا بصمات المسافة البادئة الناتجة عنها.

الصلابة

تُعد صلابة كربيد السيليكون إحدى خصائصه المميزة، مما يجعله مادة لا تقدر بثمن لتطبيقات إلكترونيات الطاقة ومرايا التلسكوبات على حد سواء. وعلاوة على ذلك، فهي تقاوم درجات الحرارة العالية والمجالات الكهربائية دون أن تفقد سلامتها - وهي صفات مثالية عند التفكير في التمدد الحراري أثناء الاستخدام في التلسكوبات الفلكية.

إن فجوة النطاق الواسعة التي يتميز بها كربيد السيليكون تجعله مناسبًا لتطبيقات الجهد العالي والترددات العالية، ولكن اختيار النوع المتعدد المناسب لكل تطبيق أمر بالغ الأهمية؛ حيث تؤثر الترتيبات الذرية المختلفة على الخواص الفيزيائية والكهربائية للمواد، حيث إن 4H و6H هما خياران شائعان بين أنواع كربيد السيليكون المتعددة التي تمتلك خواص متشابهة ولكن تختلف في التركيبات البلورية والترتيبات الذرية.

يمكن أن يكون للترتيب الذري في 4H-SiC تأثير كبير على أداء التشوه الهش. وتنتج التكوينات الذرية على المستويين (12-10) و(0001) خصائص مختلفة مثل الصلابة ومعامل المرونة التي تظهر من خلال منحنيات عمق الحمل مقابل عمق المسافة البادئة؛ بالإضافة إلى ذلك، فإن المسافات البادئة القاعدية لها معامل مرونة أعلى من المسافات البادئة المنشورية.

[0001] تقدم الأقطاب النانوية أحادية البلورة أحادية البلورة 4H-SiC ذات البلورة الواحدة فرصة مثيرة لهندسة حركية الإلكترون وبنية فجوة النطاق من خلال الإجهاد الميكانيكي النانوي، مما يوفر وسيلة لتطوير مواد ذات حركية إلكترونية متزايدة للإلكترون وأجهزة إلكترونية ذات طاقة منخفضة الفقدان، فضلاً عن توفير منصة لإنشاء أنظمة كهروميكانيكية دقيقة (MEMS) أو أجهزة مرنة.

التوصيل الحراري

كربيد السيليكون مادة رائعة ذات خصائص ميكانيكية وكهربائية وبصرية فائقة. كما أن متانتها العالية ومقاومتها للصدمات الحرارية، وصلابتها وصلابتها تجعلها مناسبة للتطبيقات الفضائية وكذلك المكونات الميكانيكية؛ مع معدلات تمدد حراري منخفضة وخصائص توصيل حراري ممتازة مما يجعلها مناسبة لإلكترونيات الطاقة أيضًا. يشكل كربيد السيليكون مكونًا أساسيًا في العديد من الأجهزة الإلكترونية المتطورة اليوم.

تحدد البنية البلورية لكربيد السيليكون خصائصه وأدائه. ويأتي في أنواع مختلفة، مثل 6H و4H. ويختلف كل منها في بنيته البلورية، وثوابت الشبكة، والخصائص الفيزيائية وتوزيع البينية الكربونية والفجوات - مثل مدى سرعة معدلات حقن البينية على سطح مؤكسد، وانتشارها من هناك إلى مواد كربيد السيليكون السائبة التي يمكن أن تؤثر على إعادة تركيب الفجوات داخل كربيد السيليكون.

تُظهر أغشية SiC ذات التركيزات المنخفضة من شوائب البورون معاملات توصيل حراري متساوية الخواص تُعرف باسم معاملات التوصيل الحراري. تتفوق 3C-SiC بمعاملات توصيل حراري متساوية الخواص تتجاوز 500 واط م-1 كلفن-1؛ وتأتي في المرتبة الثانية بعد الماس أحادي البلورة. وعلاوة على ذلك، تتفوق هذه القيمة بشكل كبير على أشباه الموصلات البلورية الكبيرة الأخرى مثل 4H-SiC وAlN كمواد مزروعة بالأيونات، ولكنها أقل من 6H-SiC بسبب نقص الفراغات الكربونية داخل بنيتها.

التوصيل الكهربائي

كربيد السيليكون هو مادة شبه موصلة متعددة الاستخدامات للغاية مع العديد من التطبيقات في العديد من مجالات الإلكترونيات وخارجها. وبفضل توصيلها الحراري وخصائص فجوة النطاق العريضة، فإن كربيد السيليكون يعد خيارًا ممتازًا للمواد للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة والترددات العالية وكذلك المركبات الكهربائية وأنظمة الطاقة المتجددة. هناك أنواع متعددة من كربيد السيليكون المتاحة مع كل منها يقدم نقاط القوة والضعف الخاصة به؛ ويمكن أن يساعد فهم هذه الاختلافات بين 4H-SiC و6H-SiC الشركات المصنعة على اختيار المادة المثالية لمشاريع محددة.

تُعد البنية البلورية لكربيد السيليكون حاسمة في خواصه الكهربائية والحرارية. وتتألف بلورته من طبقات مزدوجة من ذرات الكربون مرتبة إما في تسلسل تكديس ABCB أو ABBA، وتتميز بلورته بتماثل وثوابت شبكية مختلفة اعتمادًا على تسلسل التكديس الذي تستخدمه؛ حيث تتميز بلورات 4H SiC بأشكال سداسية بينما تظهر 6H-SiC أشكالًا مكعبة.

يمكن أن تؤدي أيونات H+ المزروعة في 4H-SiC إلى خلع وإزاحة ذرات Si وC، مما يخلق عيوبًا نقطية تحبس الإلكترونات. يمكن أن يكشف حيود الأشعة السينية عن هذه العيوب النقطية التي تحبس الإلكترونات؛ ويقيس التحليل الطيفي الضوئي هذه العيوب لتوصيف عملية الزرع الأيوني بينما تقيس منحنيات التأرجح الإجهاد الناجم عن عملية الزرع هذه؛ على الرغم من أن قوتها الميكانيكية تجعل هذه المادة شديدة المرونة ضد الإجهاد والإجهاد، حتى فيما يتعلق بالـ4H-SiC لا تزال عرضة للإجهاد والإجهاد بسبب تأثرها بالمؤثرات الخارجية.