4H siliciumcarbid mod 6H siliciumcarbid

4H-SiC er en stadig mere populær polytype af siliciumcarbid. På grund af det brede båndgab og de fremragende termiske, elektriske og mekaniske egenskaber er det et ideelt materiale til applikationer inden for effektelektronik.

Vi undersøgte den elastiske deformation og revnedannelse af en enkeltkrystal 4H-SiC-søjleprøve med [0001]-orientering ved at udføre fire gange belastning/aflastning af kompressionstest med fire belastnings-/aflastningscyklusser for kompressionstest.

Hårdhed

Siliciumcarbid (ofte omtalt som "carborundum" eller "kronjuvelen") er det hårdeste naturligt forekommende materiale på jorden. Siliciumcarbid består af silicium- og kulstofelementer og forekommer naturligt som moissanit-sten i naturen; masseproduktion begyndte i 1893 til brug som slibemiddel og skæreværktøj - findes typisk som små korn som slibemiddel eller store enkeltkrystaller skåret i ædelstene - eller skåret direkte fra store krystaller til brug som skæreværktøj. Dets egenskaber gør det ideelt til elektriske anvendelser på grund af dets holdbarhed over for høje temperaturer og spændinger - hvilket gør siliciumcarbid til et fremragende materialevalg, når man overvejer elektriske anvendelser.

4H-SiC's modstandsdygtighed over for høje spændinger og temperaturer gør det til et nyttigt materiale til fremstilling af radiofrekvensenheder (RF) som f.eks. effektforstærkere i mobilbasestationer samt sensorer til luft- og rumfart og biler. Desuden giver dets fremragende varmeledningsevne effektiv varmeafledning fra elektroniske enheder.

Instrumenteret nanoindentation kan være en nyttig metode til at måle de mekaniske egenskaber af 4H-SiC-materialer, herunder hårdhed og elasticitetsmodul. Det er dog kendt, at dens geometri påvirker hårdhedsværdierne ved lave belastningsforhold - hvilket potentielt kan give falske målinger med alvorlige revner i hjørnerne af de indrykningsaftryk, der er resultatet af den.

Stivhed

Siliciumcarbids stivhed er en af dets karakteristiske egenskaber, hvilket gør det til et uvurderligt materiale til både effektelektronik og teleskopspejle. Desuden modstår det høje temperaturer og elektriske felter uden at miste sin integritet - ideelle egenskaber, når man overvejer termisk udvidelse under brug i astronomiske teleskoper.

Siliciumkarbidens brede båndgab gør det velegnet til højspændings- og frekvensapplikationer, men det er afgørende at vælge den rette polytype til hver applikation; forskellige atomare arrangementer påvirker materialernes fysiske og elektriske egenskaber, hvor 4H og 6H er to populære valg blandt siliciumkarbidpolytyper, der har lignende egenskaber, men forskellige krystallinske strukturer og atomare arrangementer.

4H-SiC's atomare arrangement kan have en betydelig indvirkning på dets sprøde deformationsevne. Atomkonfigurationer på (12-10)- og (0001)-planerne giver forskellige egenskaber som hårdhed og elasticitetsmodul, der viser sig i kurver for belastning versus indrykningsdybde; desuden har basale indrykninger højere elasticitetsmodul end prismatiske indrykninger.

[0001]-orienterede enkeltkrystallinske 4H-SiC-nanopiller giver en spændende mulighed for at konstruere elektronmobilitet og båndgabstruktur gennem nanomekanisk belastning, hvilket giver mulighed for at udvikle materialer med øget elektronmobilitet og elektroniske enheder med lavt tab samt en platform til at skabe mikroelektromekaniske systemer (MEMS) eller fleksible enheder.

Termisk ledningsevne

Siliciumcarbid er et imponerende materiale med overlegne mekaniske, elektriske og optiske egenskaber. Det er meget holdbart og kan modstå termiske chok, og dets hårdhed og stivhed gør det velegnet til luft- og rumfart samt mekaniske komponenter; med lave varmeudvidelseshastigheder og fremragende varmeledningsevne er det også velegnet til effektelektronik. Siliciumcarbid er en integreret komponent i mange avancerede elektroniske enheder i dag.

Siliciumcarbids krystalstruktur bestemmer dets egenskaber og ydeevne. Det findes i forskellige polytyper, f.eks. 6H og 4H. Hver af dem adskiller sig i sin krystallinske struktur, gitterkonstanter, fysiske egenskaber og fordeling af kulstofmellemlag og vakancer - f.eks. hvor hurtigt injektionshastigheder af mellemlag på en oxiderende overflade forekommer, deres diffusivitet derfra til bulk-siliciumcarbidmaterialer kan påvirke rekombination af vakancer inden for siliciumcarbid.

SiC-film med lave koncentrationer af borurenheder udviser høje isotrope varmeledningsevner, kendt som varmeledningskoefficienter. 3C-SiC udmærker sig med isotrope varmeledningskoefficienter på over 500 W m-1 K-1; kun overgået af enkeltkrystaldiamant. Desuden overgår denne værdi betydeligt andre halvledere med store krystaller som 4H-SiC og AlN som ionimplanterede materialer, men er lavere end 6H-SiC på grund af manglen på ledige kulstoflagre i strukturen.

Elektrisk ledningsevne

Siliciumcarbid er et ekstremt alsidigt halvledermateriale med mange anvendelsesmuligheder inden for mange områder af elektronikken og meget mere. Med sin varmeledningsevne og brede båndgab er siliciumcarbid et fremragende materialevalg til højeffektive og højfrekvente elektroniske enheder samt elektriske køretøjer og systemer til vedvarende energi. Der findes forskellige polytyper af siliciumcarbid med hver deres styrker og svagheder; at forstå disse forskelle mellem 4H-SiC og 6H-SiC kan hjælpe producenterne med at vælge det ideelle materiale til specifikke projekter.

Siliciumcarbids krystalstruktur er afgørende for dets elektriske og termiske egenskaber. Krystallen består af dobbeltlag af kulstofatomer, der er arrangeret i enten en ABCB- eller ABBA-stakningssekvens, og den har forskellig symmetri og gitterkonstanter afhængigt af, hvilken stakningssekvens den bruger; 4H SiC-krystaller har sekskantede former, mens 6H-SiC udviser kubiske former.

H+-ioner implanteret i 4H-SiC kan dislokere og forskyde dens Si- og C-atomer og skabe punktdefekter, som fanger elektroner. Røntgendiffraktion kan detektere disse punktdefekter, der fanger elektroner; fotoluminescensspektroskopi måler disse defekter for at karakterisere ionimplanteringsprocessen, mens vippekurver måler belastning forårsaget af denne implanteringsproces; selvom dets mekaniske styrke gør dette materiale meget modstandsdygtigt over for stress og belastning, er 4H-SiC stadig modtageligt over for stress og belastning på grund af påvirkning fra eksterne faktorer.