4H piikarbidi vs. 6H piikarbidi

4H-SiC on yhä suositumpi piikarbidin polytyyppi. Laajan kaistanleveytensä ja erinomaisten termisten, sähköisten ja mekaanisten ominaisuuksiensa ansiosta se on ihanteellinen materiaali tehoelektroniikan sovelluksiin.

Tutkimme yksikiteisen 4H-SiC-pilarikappaleen [0001]-suuntauksen kimmoista muodonmuutosta ja halkeilukäyttäytymistä suorittamalla neljä kertaa kuormitus- ja puristusjännityskokeita neljällä kuormitus- ja purkaussyklillä puristusjännityskokeissa.

Kovuus

Piikarbidi (jota kutsutaan yleisesti "karborundiksi" tai "kruununjalokiveksi") on kovinta luonnossa esiintyvää materiaalia maapallolla. Piikarbidia esiintyy luonnossa pii- ja hiiliyhdisteistä koostuvana moissanite-jalokivinä; massatuotanto alkoi vuonna 1893 käytettäväksi hioma- ja leikkaustyökaluna - sitä esiintyy yleensä pieninä rakeina hioma-aineena tai suurina yksittäisinä kiteinä, jotka on leikattu jalokiviksi - tai leikattu suoraan suurista kiteistä leikkaustyökalukäyttöä varten. Piikarbidin ominaisuudet tekevät siitä ihanteellisen sähkösovelluksiin, koska se kestää korkeita lämpötiloja ja jännitteitä - mikä tekee piikarbidista erinomaisen materiaalivalinnan, kun harkitaan sähkösovelluksia.

4H-SiC:n korkeiden jännitteiden ja lämpötilojen kestävyys tekee siitä hyödyllisen materiaalin radiotaajuuslaitteiden, kuten matkapuhelintukiasemien tehovahvistimien, sekä ilmailu- ja autoteollisuuden antureiden valmistukseen. Lisäksi sen erinomainen lämmönjohtavuus mahdollistaa tehokkaan lämmönpoiston elektronisista laitteista.

Instrumentoitu nanoindentointi voi olla hyödyllinen menetelmä 4H-SiC-materiaalien mekaanisten ominaisuuksien, kuten kovuuden ja kimmomoduulin, mittaamiseen. Sen geometrian on kuitenkin tiedetty vaikuttavan kovuusarvoihin alhaisissa kuormitusolosuhteissa, mikä saattaa johtaa vääriin lukemiin, kun sen tuloksena syntyvien painaumanjälkien kulmissa havaitaan vakavia halkeamia.

Jäykkyys

Piikarbidin jäykkyys on yksi sen tunnusomaisista ominaisuuksista, mikä tekee siitä korvaamattoman arvokkaan materiaalin niin tehoelektroniikan sovelluksissa kuin kaukoputkien peileissä. Lisäksi se kestää korkeita lämpötiloja ja sähkökenttiä menettämättä eheyttään - ihanteellisia ominaisuuksia, kun otetaan huomioon lämpölaajeneminen tähtitieteellisissä teleskoopeissa käytettäessä.

Piikarbidin laaja kaistaleveys tekee siitä sopivan korkeajännite- ja taajuussovelluksiin, mutta sopivan polytyypin valitseminen kuhunkin sovellukseen on kriittistä; erilaiset atomijärjestelyt vaikuttavat materiaalien fysikaalisiin ja sähköisiin ominaisuuksiin. 4H ja 6H ovat kaksi suosittua vaihtoehtoa piikarbidin polytyyppien joukossa, joilla on samanlaiset ominaisuudet mutta erilaiset kiderakenteet ja atomijärjestelyt.

4H-SiC:n atomisella järjestelyllä voi olla merkittävä vaikutus sen hauraan muodonmuutoskykyyn. Atomikokoonpanot (12-10)- ja (0001)-tasoilla tuottavat erilaisia ominaisuuksia, kuten kovuuden ja kimmomoduulin, jotka ilmenevät kuormitus vs. sisennyssyvyys -käyrissä; lisäksi basaalisilla sisennyksillä on korkeampi kimmomoduuli kuin prismaattisilla sisennyksillä.

[0001]-suuntautuneet yksikiteiset 4H-SiC-nanopilarit tarjoavat jännittävän mahdollisuuden elektronien liikkuvuuden ja kaistanleveyden rakenteen suunnitteluun nanomekaanisen venytyksen avulla, mikä mahdollistaa sellaisten materiaalien kehittämisen, joilla on lisääntynyt elektronien liikkuvuus ja pieni häviöteho elektronisissa laitteissa, sekä tarjoaa alustan mikroelektromekaanisten järjestelmien (MEMS) tai taipuisien laitteiden luomiseen.

Lämmönjohtavuus

Piikarbidi on vaikuttava materiaali, jolla on erinomaiset mekaaniset, sähköiset ja optiset ominaisuudet. Se on erittäin kestävä ja kestää lämpöshokkeja, ja sen kovuus ja jäykkyys tekevät siitä sopivan ilmailu- ja avaruussovelluksiin sekä mekaanisiin komponentteihin; alhaisen lämpölaajenemisnopeuden ja erinomaisten lämmönjohtavuusominaisuuksien ansiosta se soveltuu myös tehoelektroniikkaan. Piikarbidi on nykyään olennainen osa monia huippuluokan elektroniikkalaitteita.

Piikarbidin kiderakenne määrittää sen ominaisuudet ja suorituskyvyn. Sitä on eri polytyyppejä, kuten 6H ja 4H. Kukin niistä eroaa kiderakenteeltaan, ristikkovakioiltaan, fysikaalisilta ominaisuuksiltaan sekä hiilen interstitiaalien ja vakanssien jakautumiselta - esimerkiksi siltä osin, kuinka nopeasti interstitiaalit injektoituvat hapettuvalle pinnalle ja kuinka nopeasti niiden diffuusiokyky sieltä piikarbidimateriaaleihin voi vaikuttaa vakanssien rekombinaatioon piikarbidin sisällä.

SiC-kalvoilla, joissa on pieniä pitoisuuksia boorin epäpuhtauksia, on korkea isotrooppinen lämmönjohtavuus, jota kutsutaan lämmönjohtavuuskertoimeksi. 3C-SiC on erinomainen, sillä sen isotrooppinen lämmönjohtavuuskerroin on yli 500 W m-1 K-1; se on toiseksi paras vain yksikiteisen timantin jälkeen. Lisäksi tämä arvo ylittää merkittävästi muut suurikiteiset puolijohteet, kuten 4H-SiC ja AlN, jotka ovat ioni-implantoituja materiaaleja, mutta on pienempi kuin 6H-SiC, koska sen rakenteessa ei ole hiilityhjiöitä.

Sähkönjohtavuus

Piikarbidi on erittäin monipuolinen puolijohdemateriaali, jolla on monia sovelluksia monilla elektroniikan aloilla ja laajemminkin. Lämmönjohtavuutensa ja laajan kaistanleveytensä ansiosta piikarbidi on erinomainen materiaalivalinta suuritehoisiin ja suurtaajuisiin elektroniikkalaitteisiin sekä sähköajoneuvoihin ja uusiutuvan energian järjestelmiin. Piikarbidia on saatavana eri polytyyppejä, joilla kullakin on omat vahvuutensa ja heikkoutensa. Näiden 4H-SiC:n ja 6H-SiC:n välisten erojen ymmärtäminen voi auttaa valmistajia valitsemaan ihanteellisen materiaalin tiettyihin projekteihin.

Piikarbidin kiderakenne on ratkaiseva sen sähköisten ja lämpöominaisuuksien kannalta. Kide koostuu hiiliatomien kaksoiskerroksista, jotka on järjestetty joko ABCB- tai ABBA-pinoamisjärjestykseen, ja sen symmetria ja ristikkovakio vaihtelevat sen mukaan, mitä pinoamisjärjestystä käytetään. 4H-SiC-kiteillä on kuusikulmainen muoto, kun taas 6H-SiC:llä on kuutiomainen muoto.

4H-SiC:hen implantoidut H+-ionit voivat dislokoitua ja siirtää sen Si- ja C-atomeja, jolloin syntyy pistevikoja, jotka vangitsevat elektroneja. Röntgendiffraktiolla voidaan havaita nämä pisteviat, jotka vangitsevat elektroneja; fotoluminesenssispektroskopialla mitataan näitä vikoja ioni-implantointiprosessin luonnehtimiseksi, kun taas keinukäyrät mittaavat implantaatioprosessin aiheuttamaa rasitusta; vaikka materiaalin mekaaninen lujuus tekeekin siitä erittäin kimmoisan rasitusta ja rasitusta vastaan, 4H-SiC on edelleen altis rasitukselle ja rasitukselle ulkoisten vaikutusten vaikutuksesta.