Siliciumkarbid-isolator

Siliciumcarbid (SiC) er en krystallinsk forbindelse af silicium og kulstof, som siden det 19. århundrede er blevet brugt til så forskellige formål som sandpapir, slibeskiver, skæreværktøjer og endda foringer til industriovne. Derudover kan SiC også fungere som slidstærke dele i pumper og raketmotorer.

SiC kan fungere både som isolator og halvleder afhængigt af, hvordan krystalstrukturen er blevet ændret ved at tilføje urenheder til krystalstrukturen; denne proces er kendt som doping.

Elektrisk ledningsevne

Siliciumcarbid er et keramisk materiale med egenskaber, der gør det til både en elektrisk isolator og en halvleder, afhængigt af hvordan urenhederne eller dopingstofferne tilsættes. Siliciumcarbids alsidige natur gør det til et uvurderligt industrielt værktøj, der bruges inden for mange forskellige anvendelsesområder.

Energiintensive anvendelser, der skal fungere ved høje temperaturer, som f.eks. turbiner og varmesystemer, nyder godt af dets overlegne varmeledningsevne. Desuden gør dets fysiske robusthed og hårdhed det velegnet til brug i skæreværktøjer som f.eks. slibeskiver. Desuden gør det brede båndgab det muligt at håndtere højere spændinger og frekvenser end traditionelle siliciumbaserede enheder.

Denne opfindelse vedrører sintrede keramiske materialer af siliciumcarbid med ekstremt høj elektrisk resistivitet (op til ca. 108 ohm cm), der er fremstillet ved hjælp af sintringsprocesser og anvendes som substrater til integrerede kredsløb.

For at nå dette mål brugte opfinderne en varmpresningsproces til at producere et legeme af sintret siliciumcarbid med submikron betafase siliciumcarbidpartikler jævnt fordelt i en ikke-porøs matrix af nitrogen ved temperaturer tæt på 2.000 grader C til produktion af sintret siliciumcarbid. Det resulterende materiale udviste høj elektrisk resistivitet samt lav lineær udvidelseskoefficient svarende til silicium.

Sintrede siliciumcarbidlegemer fremstillet ved trykløs sintring har en elektrisk resistivitet, der er lavere end den, der er nødvendig for substrater til integrerede kredsløb, og en betydeligt lavere varmeledningsevne end deres modstykker, enkeltkrystal SiC-materialer.

Opfinderne har opdaget, at sintret siliciumcarbid, der indeholder betydelige mængder bor, har en meget høj elektrisk resistivitet. For at vurdere dette forhold mellem bærerkoncentrationen n og den specifikke dielektriske konstant es udførte de flere eksperimentelle prøver, hvor BeO og andre elementære dopingstoffer fra Va og Vb-familierne med en ionvalens på +5 blev tilsat pulverformige partikelblandinger af siliciumcarbidpulver, før de blev sintret.

Termisk ledningsevne

Siliciumcarbid (SiC) er et af de hårdeste materialer, der findes, og har et ekstraordinært højt Young's modul på over 400 GPa, hvilket gør det i stand til at modstå ekstreme tryk og temperaturer. SiC er også et af de letteste og mest isolerende keramiske materialer, der kan modstå korrosion, slid og erosion samt friktionsslid, samtidig med at det har en fremragende varmeledningsevne og lav varmeudvidelse, når det bruges som elektrisk isoleringsmateriale.

Siliciumcarbid er en krystal med kovalente bindinger, og dens enkeltkrystal har en relativt stor varmeledningsevne, mens dette tal i sintret tilstand falder på grund af fononspredning ved krystalkorngrænser, hvilket skaber udtømningslag af bærere inden for hvert krystalkorn på begge sider af hver grænse og dermed hæmmer varmestrømmen.

Den foreliggende opfindelse går ud på at skabe en siliciumcarbid-isolator med forbedrede egenskaber ved at kombinere p-type halvledermateriale med et sintret legeme af SiC. Isolatoren omfatter siliciumcarbid som sin primære bestanddel og et element, der giver elektrisk isolerende egenskaber (BN eller Be), såsom at øge bærerkoncentrationen med 5×1017 cm-3 eller mindre på hver side af korngrænsen i sin sintrede tilstand, hvilket giver høje elektriske isoleringsegenskaber.

Doping af siliciumcarbid med aluminium, bor eller gallium resulterer i halvledermaterialer af p-typen, som har halvledende egenskaber. Isolatorer, der indeholder denne p-type siliciumcarbid, har lav elektrisk resistivitet og høj varmeledningsevne for at opnå maksimal effekt.

Den nuværende opfindelse involverer en isolator, som kan bruges til at understøtte halvlederelementer, såsom en modstand, sputtering target eller tyndfilmsmodstand. Ikke alene har den fremragende elektriske og termiske egenskaber, men den kan også prale af en ekstremt lav dielektrisk konstantværdi. Desuden giver den smalle hals mulighed for høj strømtæthed uden at overskride substratmaterialets termiske begrænsninger.

Termisk udvidelseskoefficient

Siliciumcarbid (SiC) er et enestående materiale med fremragende termiske egenskaber. Med en lav termisk udvidelseskoefficient og modstandsdygtighed over for revnedannelse, når det udsættes for høje temperaturer, kan SiC sprede varmen effektivt - en vigtig egenskab, når det anvendes i applikationer, der kræver høj termisk effektivitet. Desuden har SiC en stor specifik varmekapacitet, så det kan absorbere store mængder energi, før det begynder sin ekspansionsproces.

Siliciumkarbidens varmeudvidelse afhænger af temperaturen og krystalstrukturen, hvilket kan påvirke dens ydeevne og holdbarhed. For at sikre, at siliciumcarbidkomponenter kan fungere pålideligt selv under ugunstige miljøforhold, er det vigtigt, at vi forstår dens temperaturafhængighed.

Sammensætningen kan også have en effekt på siliciumkarbidens varmeudvidelse; berylliumoxid (BeO) hjælper med at undertrykke spredning af fononer ved korngrænser, hvilket fører til lavere varmeudvidelse sammenlignet med rent silicium og fører til lavere varmeudvidelseskoefficienter (CTE) end ved drift under høj mekanisk belastning. Denne faktor er især vigtig for højeffekt-halvlederenheder, som oplever stor mekanisk belastning under drift.

Det korrosions- og slidbestandige materiale gør det til et fremragende byggemateriale, ideelt til kemiske anlæg og møller med temperaturer på op til 1.400 grader Celsius, ligesom dets høje Young-modul på 400 GPa gør det velegnet til højtryksovne.

Naturlig moissanit forekommer kun i spormængder i visse typer meteoritter og korundaflejringer, men det meste moissanit, der sælges som ædelsten eller bruges til at forstærke metaller, er syntetisk fremstillet ved hjælp af metoder som dampaflejring af siliciumkulstof, sintring af siliciumholdige polymerfibre eller brænding af siliciumholdige ildfaste belægninger.

For at forbedre bearbejdeligheden og trækstyrken blev der for nylig skabt en ny formulering af SiC, der indeholder mindre berylliumoxid end traditionelle SiC-produkter; mindre skør; har lavere termisk udvidelseskoefficient; kan bruges i enheder med højere effekt; billigere at producere end ren siliciumcarbid;

Dielektrisk konstant

Siliciumcarbid er et af de hårdeste og letteste keramiske materialer med fremragende korrosionsbestandighed over for syrer og baser, fremragende varmeledningsevne og lave varmeudvidelseskoefficienter - egenskaber, der gør det velegnet til brug i højtemperaturmiljøer som f.eks. ovne til smeltet metal eller i den kemiske industri. Desuden hjælper det høje Young-modul (>400 GPa) med at modstå bøjningsspændinger, som ellers ville ødelægge andre keramiske materialer.

Silicium har et relativt smalt båndgab, der begrænser temperatur- og elektriske feltvariationer, hvilket giver den fordel, der er nødvendig for effektelektroniske anvendelser. Silicium, den mest anvendte halvleder, er ved at nå sine grænser på grund af manglende båndgabsbredde og nedbrydningsspænding; derfor er niobium en anden mulig løsning, der kan overgå silicium, når det anvendes ved højere temperaturer og elektriske felter.

For at maksimere 4H-SiC's fulde potentiale skal der påføres høj-k-dielektrikum på overfladen via silan-sputtermål for at mindske grænsefladetætheden ved grænsefladen med siliciumcarbid og dielektriske materialer og forbedre enhedernes elektriske egenskaber.

Flere undersøgelser har fokuseret på at udvikle høj-k-dielektrika, der kan fungere på overfladen af 4H-SiC. HfO2 og Y2O3 har bevist deres værdi ved at forbedre den elektriske ydeevne ved at øge det elektriske nedbrydningsfelt, men deres høje grænsefladetilstand er stadig en hindring for fuld implementering i enheder.

Stanford-forskere har udtænkt en metode til at skabe højkvalitets siliciumcarbid-isolator i wafer-skala ved hjælp af fotokemisk ætsning og kemisk mekanisk polering og derefter bruge mindre dopede enhedslag på et stærkt dopet offerlag, før de bruger fotokemisk ætsning og kemisk mekanisk polering til at fjerne det ved hjælp af fotokemisk ætsning og kemisk mekanisk polering og dermed udsætte SiC og muliggøre højkvalitetsisolatorer, der er egnede til kvante- og ikke-lineære fotoniske anvendelser.

Selv med denne spændende udvikling er det stadig for tidligt at implementere høj-k-dielektrikum i kommercielle enheder baseret på 4H-SiC. Derfor er det nødvendigt at udforske andre metoder til fremstilling af metal-isolator-halvleder-enheder på SiC, indtil dette mål kan realiseres.