Die Leitfähigkeit von Siliziumkarbid

Okamoto et al. maßen die Leitfähigkeit von Siliziumkarbid bei verschiedenen Temperaturen und stellten fest, dass geringe Mengen an Si-Zusatz die Leitfähigkeit nicht um zwei bis drei Größenordnungen erhöhten, aber bei mehr als 5 mol% stieg die Leitfähigkeit um bis zu drei Größenordnungen an.

Siliciumcarbid ist ein Halbleitermaterial, das durch Dotierung mit Aluminium-, Bor-, Gallium-, Phosphor- oder Stickstoffionen in einen n- oder p-Typ-Zustand überführt werden kann.

Elektrische Leitfähigkeit

Siliciumcarbid ist ein Halbleitermaterial, d. h. es liegt zwischen Metallen (die Strom leiten) und Isolatoren (die Strom widerstehen). Bei niedrigen Temperaturen verhält sich Siliciumcarbid eher wie ein Isolator, indem es dem elektrischen Energiefluss widersteht; bei höheren Temperaturen wird es jedoch eher zu einem Leiter, indem es elektrischen Strom durchlässt. Das Verhalten von Siliciumcarbid hängt sowohl von der Temperatur als auch von Verunreinigungen ab: Die Zugabe von Aluminium, Bor und Gallium kann einen N-Halbleitereffekt erzeugen, während die Zugabe von Stickstoff oder Phosphor einen N-Halbleitereffekt hervorruft; außerdem kann durch kontrollierte Dotierung Supraleitung in diesem Material erzeugt werden.

SiC ist ein elektrisch halbleitendes Material mit einem Anfangswiderstand zwischen 105 und 107 Ohm*cm in seinem reinen Zustand, obwohl das Hinzufügen elektrisch leitender zweiter Phasen diesen Widerstand für Heizungsanwendungen ausreichend reduzieren kann; der Gesamtwiderstand hängt von der Morphologie und den Verarbeitungsbedingungen des Materials selbst ab.

Kommerzielles SiC-Pulver weist häufig eine nicht-stöchiometrische Zusammensetzung auf; es enthält in der Regel überschüssiges Aluminium und Silizium. Dies stellt zwar kein Problem dar, wenn es darum geht, die gewünschten kristallinen Strukturen zu sintern, aber aufgrund der geringeren Bandlücke von b-SiC wird diese Aufgabe an Luft einfacher. Da N2 diesem Umwandlungsprozess sowie der Dotierung von SiC einen größeren Widerstand entgegensetzt, könnten die Auswirkungen der N-Dotierung minimiert werden.

Wärmeleitfähigkeit

Siliziumkarbid (SiC) bietet hervorragende Wärmeleitfähigkeitseigenschaften, die es zu einem Schlüsselmaterial in der Leistungs- und Optoelektronik machen1,2. Leider stellt der hohe lokale Wärmefluss von SiC-Bauteilen eine Herausforderung für das Wärmemanagement dar, was zu einer Überhitzung der Bauteile führt, die die Leistung und Zuverlässigkeit beeinträchtigt, insbesondere bei Leistungsbauteilen, die bei Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur arbeiten. Daher ist ein tieferes Verständnis der SiC-Mikrostruktur, der Phasenzusammensetzung und der Wärmeleitfähigkeit der Schlüssel für die Entwicklung von Materialien mit noch höheren Wärmeleitfähigkeiten.

Im Rahmen einer Untersuchung der Auswirkungen von Phasenzusammensetzung, Mikrostruktur und Defektstruktur auf die Wärmeleitfähigkeit von SiC wurde ein b-SiC-Pulver im Submikronbereich durch Flüssigphasen-Funkenplasmasintern (L-SPS) mit verschiedenen Konzentrationen von Y2O3 und Yb2O3 verdichtet, um dichte Proben herzustellen, die bis zu 20% Graphen-Nanoplättchen (GNPs) enthalten. Der uniaxiale Pressdruck während des L-SPS-Prozesses führte zu einer bevorzugten Ausrichtung der GNPs senkrecht zur Pressachse und somit zu einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit entlang dieser Richtung; während in paralleler Richtung keine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit zu verzeichnen war.

Zusätzlich wurde die hochauflösende Rastertransmissionselektronenmikroskopie (HR-STEM) zusammen mit der Rückstreuelektronenbeugung eingesetzt, um Defektstrukturen auf atomarer Ebene in diesen b-SiC-Proben zu bewerten. Es wurden keine Auswirkungen natürlicher Defekte festgestellt; die Zugabe von Yb2O3 hatte jedoch eine viel stärkere Auswirkung auf die Wärmeleitfähigkeit, was möglicherweise darauf hindeutet, dass sich als Reaktion auf den überschüssigen Yb2O3-Gehalt in der Gitterstruktur ein Verunreinigungsniveau gebildet hat.

Chemische Leitfähigkeit

Siliziumkarbid (SiC) ist eine außergewöhnliche chemische Verbindung, die zu gleichen Teilen aus Silizium und Kohlenstoff besteht, die durch starke kovalente Bindungen miteinander verbunden sind, ähnlich wie bei Diamant. Es hat eine Mohs-Härte von 9 auf der Mohs-Skala, was es extrem haltbar und widerstandsfähig gegen extreme Temperaturen macht.

SiC ist für seine Halbleitereigenschaften mit breiter Bandlücke bekannt, die es den Elektronen ermöglichen, sich frei in seiner Materialstruktur zu bewegen und somit bei Erwärmung Strom zu leiten; bei niedrigeren Temperaturen verhält sich seine Struktur jedoch eher wie ein Isolator und widersteht dem elektrischen Fluss.

Das elektrische und thermische Verhalten von Siliziumkarbid kann durch Zugabe von Verunreinigungen verändert werden. Die Dotierung mit Aluminium, Bor und Gallium macht es zu einem p-Halbleiter; die Dotierung mit Stickstoff und Phosphor macht es zu einem n-Halbleiter; diese Veränderungen können seine elektrische Leitfähigkeit erheblich verbessern.

Aufgrund seiner dichten Struktur kann einkristallines SiC seine überlegene Wärmeleitfähigkeit in praktischen Anwendungen nicht voll ausspielen. Polykristalline Keramiken, die aus handelsüblichen Pulvern hergestellt werden, weisen häufig eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf, die auf eine zufällige Kornorientierung, Gitterfehler und sekundäre Phasen mit geringerer Leitfähigkeit an den Korngrenzen zurückzuführen ist.

Vor einer Investition ist es entscheidend, dass die gewünschten Eigenschaften eines Siliziumkarbidmaterials erfüllt werden können. Darüber hinaus kann es sich als besonders wichtig erweisen, die Leistung des Materials im Laufe der Zeit zu verstehen, z. B. bei Heizgeräten, bei denen die Lebensdauer durch Verschleißerscheinungen am Material stark eingeschränkt sein kann.

Thermische Stabilität

Siliciumcarbid ist eine extrem robuste chemische Verbindung mit hexagonaler Struktur und einer großen Bandlücke. Die Lücke zwischen der Freisetzungsenergie der Elektronen und der maximalen Energie des Valenzbandes ist fast dreimal so groß wie bei Silizium, was ihm den Beinamen "Material mit großer Bandlücke" eingebracht hat und es für Leistungselektronik und Hochspannungsanwendungen wie Batteriemanagementsysteme für Elektrofahrzeuge geeignet macht.

Reines SiC ist farblos, aber in der industriellen Produktion wird es mit Phosphor kombiniert, um Karborundum zu bilden - ein braunes bis schwarzes Pulver mit regenbogenartigem Glanz, das aus dünnen Passivierungsschichten zum Schutz der Kristalle entsteht und diesem Material seinen Namen gibt. Ursprünglich wurde Karborund vor allem als Detektordioden in Schiffsradios verwendet; heute wird es jedoch hauptsächlich als harter Isolator in Schneidwerkzeugen und Bremsbelägen eingesetzt.

Bei Raumtemperatur hat SiC vom n-Typ eine intrinsische Leitfähigkeit von etwa 2 10-6 Ohm-cm. Die elektrische Leitfähigkeit kann jedoch durch Dotierung mit Stickstoff, Phosphor oder Beryllium erhöht werden, um p-Typ-Material zu erzeugen, und durch die Bildung von Borakzeptoren auf Si-Orten, was sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch den elektrischen Widerstand erhöht.

Die Dotierung kann die thermische Stabilität von n-Typ-SiC beeinträchtigen, da Elektronen und Löcher aus dem Gitter entweichen und Hot Spots in der Materialstruktur entstehen.