Piikarbidieriste

Piikarbidi (SiC) on piin ja hiilen kiteinen yhdiste, jota on käytetty 1800-luvulta lähtien niinkin erilaisissa sovelluksissa kuin hiekkapapereissa, hiomalaikoissa, leikkuutyökaluissa ja jopa teollisuusuunien vuorauksissa. Lisäksi SiC:tä voidaan käyttää kulumista kestävinä osina pumpuissa ja rakettimoottoreissa.

SiC voi toimia sekä eristeenä että puolijohteena riippuen siitä, miten kiderakennetta on muutettu lisäämällä epäpuhtauksia sen kiderakenteeseen; tätä prosessia kutsutaan seostamiseksi.

Sähkönjohtavuus

Piikarbidi on keraaminen materiaali, jonka ominaisuudet tekevät siitä sekä sähköeristeen että puolijohteen riippuen siitä, miten sen epäpuhtauksia tai seostusaineita lisätään. Piikarbidin monipuolinen luonne tekee siitä korvaamattoman arvokkaan teollisen työkalun, jota käytetään monilla eri sovellusaloilla.

Energiavaltaiset sovellukset, joiden on toimittava korkeissa lämpötiloissa, kuten turbiinit ja lämmitysjärjestelmät, hyötyvät sen erinomaisesta lämmönjohtavuudesta. Lisäksi sen fyysinen lujuus ja kovuus tekevät siitä sopivan käytettäväksi leikkuutyökaluissa, kuten hiomalaikoissa. Lisäksi sen laajan kaistanleveyden ansiosta se kestää suurempia jännitteitä ja taajuuksia kuin perinteiset piipohjaiset laitteet.

Tämä keksintö koskee sintrattuja piikarbidikeraamisia materiaaleja, joilla on erittäin korkea sähköinen resistiivisyys (jopa noin 108 ohm cm), jotka on valmistettu sintrausprosesseilla ja joita käytetään integroitujen piirien substraatteina.

Tämän tavoitteen saavuttamiseksi keksijät käyttivät kuumapuristusprosessia, jolla tuotettiin sintrattua piikarbidia, jossa submikroniset beetafaasipiikarbidihiukkaset jakautuivat tasaisesti koko huokosettomaan typpimatriisiin lähes 2000 celsiusasteen lämpötiloissa sintrattua piikarbidia valmistettaessa. Tuloksena syntyneellä materiaalilla oli korkea sähköinen resistiivisyys sekä piitä vastaava alhainen lineaarinen laajenemiskerroin.

Paineettomalla sintrauksella valmistettujen sintrattujen piikarbidikappaleiden sähköinen resistiivisyys on pienempi kuin integroitujen piirien substraateissa tarvittava ja lämmönjohtavuus huomattavasti alhaisempi kuin vastaavien yksikiteisten piikarbidimateriaalien.

Keksijät ovat havainneet, että sintratulla piikarbidilla, joka sisältää huomattavia määriä booria, on erittäin suuri sähköinen resistiivisyys. Arvioidakseen tätä kantoaineen konsentraation n ja ominaisdielektrisyysvakion es välistä suhdetta he tekivät useita koeotoksia, joissa BeO:ta ja muita Va- ja Vb-perheisiin kuuluvia alkuaineellisia dopantteja, joiden ionivalenssi on +5, lisättiin piikarbidijauheen jauhemaisiin hiukkasseoksiin ennen niiden sintrausta.

Lämmönjohtavuus

Piikarbidi (SiC) on yksi kovimmista saatavilla olevista materiaaleista, ja sen Youngin moduuli on poikkeuksellisen korkea, yli 400 GPa, minkä ansiosta se kestää äärimmäisiä paineita ja lämpötiloja. SiC on myös yksi kevyimmistä ja parhaiten eristävistä keraamisista materiaaleista; se kestää korroosiota, kulumista, eroosiota ja kitkakulumista, ja sillä on erinomainen lämmönjohtavuus ja alhaiset lämpölaajenemisominaisuudet, kun sitä käytetään sähköeristävänä materiaalina.

Piikarbidi on kovalenttisen sidoksen kide, ja sen yksikiteellä on suhteellisen suuri lämmönjohtavuus, kun taas sintratussa tilassa tämä luku laskee, mikä johtuu fononien sironnasta kiteen raerajoilla, mikä luo kantajien tyhjentymiskerroksia kunkin kiteen raerajojen molemmin puolin, mikä estää lämmön virtauksen.

Tässä keksinnössä luodaan piikarbidieriste, jolla on parannetut ominaisuudet, yhdistämällä p-tyypin puolijohdemateriaali ja sintrattu SiC-kappale. Eriste koostuu piikarbidista ensisijaisena ainesosana ja elementistä, joka antaa sähköisiä eristysominaisuuksia (BN tai Be), kuten esim. lisäämällä kantoaaltokonsentraatiota 5 × 1017 cm-3 tai vähemmän raerajojen molemmin puolin sintratussa tilassaan, mikä antaa korkeat sähköiset eristysominaisuudet.

Piikarbidin seostaminen alumiinilla, boorilla tai galliumilla johtaa p-tyypin puolijohdemateriaalien syntymiseen, joilla on puolijohdeominaisuuksia. Tätä p-tyypin piikarbidia sisältävillä eristeillä on alhainen sähköinen resistiivisyys ja korkea lämmönjohtavuus, mikä takaa maksimaalisen vaikutuksen.

Tässä keksinnössä on kyse eristeestä, jota voidaan käyttää puolijohde-elementtien, kuten vastuksen, sputterointikohteen tai ohutkalvovastuksen tukemiseen. Sen lisäksi, että sillä on erinomaiset sähköiset ja lämpöominaisuudet, sillä on myös erittäin alhainen dielektrisyysvakioarvo. Lisäksi sen kapea kaula mahdollistaa suuren virrantiheyden ylittämättä substraattimateriaalin lämpörajoituksia.

Lämpölaajenemiskerroin

Piikarbidi (SiC) on poikkeuksellinen materiaali, jolla on erinomaiset lämpöominaisuudet. SiC:llä on alhainen lämpölaajenemiskerroin ja se kestää halkeilua korkeissa lämpötiloissa, joten se pystyy johtamaan lämpöä tehokkaasti - tämä on olennainen ominaisuus, kun sitä käytetään sovelluksissa, joissa vaaditaan korkeaa lämpötehokkuutta. Lisäksi SiC:llä on suuri ominaislämpökapasiteetti, joten se voi absorboida valtavia määriä energiaa ennen laajentumisprosessin aloittamista.

Piikarbidin lämpölaajeneminen riippuu lämpötilasta ja kiderakenteesta, mikä voi vaikuttaa sen suorituskykyyn ja kestävyyteen. Jotta piikarbidikomponentit toimisivat luotettavasti myös epäsuotuisissa ympäristöolosuhteissa, on tärkeää ymmärtää sen lämpötilariippuvuus.

Myös koostumus voi vaikuttaa piikarbidin lämpölaajenemiseen; berylliumoksidi (BeO) auttaa tukahduttamaan fononien sirontaa raerajoilla, mikä johtaa pienempään lämpölaajenemiseen verrattuna puhtaaseen piihin ja pienempiin lämpölaajenemiskertoimiin (CTE) kuin silloin, kun se toimii suuressa mekaanisessa rasituksessa. Tämä tekijä on erityisen merkittävä suuritehoisissa puolijohdekomponenteissa, joihin kohdistuu käytön aikana suuria mekaanisia rasituksia.

Korroosion- ja kulutuksenkestävä materiaali tekee siitä erinomaisen rakennusmateriaalin, joka soveltuu erinomaisesti kemiantehtaisiin ja tehtaisiin, joiden lämpötila on jopa 1400 celsiusastetta, ja sen korkea Youngin moduuli 400 GPa tekee siitä sopivan korkeapaineisiin uuneihin.

Luonnollista moissaniittia esiintyy vain pieniä määriä tietyntyyppisissä meteoriiteissa ja korundiesiintymissä, mutta suurin osa jalokivinä myytävästä tai metallien lujittamiseen käytettävästä moissaniitista on synteettisesti tuotettua, ja sitä valmistetaan esimerkiksi piihiilen höyrystämällä, sintraamalla piitä sisältäviä polymeerikuituja tai polttamalla piitä sisältäviä tulenkestäviä vuorauksia.

Sen työstettävyyden ja vetolujuuden parantamiseksi luotiin hiljattain uusi SiC-muotoilu, joka sisältää vähemmän berylliumoksidia kuin perinteiset SiC-tuotteet; se on vähemmän hauras; sillä on pienempi lämpölaajenemiskerroin; sitä voidaan käyttää suurempitehoisissa laitteissa; sen valmistaminen on halvempaa kuin puhtaan piikarbidin;

Dielektrinen vakio

Piikarbidi on yksi kovimmista ja kevyimmistä keraamisista materiaaleista, jolla on erinomainen korroosionkestävyys happoja ja emäksiä vastaan, erinomainen lämmönjohtavuus ja alhainen lämpölaajenemiskerroin - ominaisuudet, joiden ansiosta se soveltuu käytettäväksi korkealämpötilaisissa ympäristöissä, kuten sulametallien sulatusuuneissa tai kemianteollisuudessa. Lisäksi sen korkea Youngin moduuli (>400 GPa) auttaa kestämään taivutusjännityksiä, jotka muutoin tuhoaisivat muut keraamiset materiaalit.

Piillä on suhteellisen kapea kaistaleveys, joka rajoittaa lämpötilan ja sähkökentän vaihtelua, mikä tarjoaa tehoelektroniikan sovelluksissa tarvittavan edun. Pii, yleisimmin käytetty puolijohde, on saavuttamassa rajansa kaistanleveyden ja läpilyöntijännitteen puutteen vuoksi; siksi niobium tarjoaa toisen mahdollisen vaihtoehdon, joka voisi päihittää piin, kun sitä käytetään korkeammissa lämpötiloissa ja sähkökentissä.

4H-SiC:n täyden potentiaalin maksimoimiseksi sen pinnalle on levitettävä silaanin sputterointikohteiden avulla korkean k:n dielektrisiä aineita, jotta voidaan vähentää rajapinnan tilatiheyttä sen rajapinnassa piikarbidin ja dielektristen materiaalien kanssa ja parantaa laitteiden sähköisiä ominaisuuksia.

Useissa tutkimuksissa on keskitytty kehittämään korkean k:n dielektrisiä aineita, jotka pystyvät toimimaan 4H-SiC:n pinnalla. HfO2 ja Y2O3 ovat osoittaneet arvonsa parantamalla sähköistä suorituskykyä kasvattamalla läpilyöntisähkökenttää, mutta niiden korkea rajapintatila on edelleen esteenä laitteiden täydelle käyttöönotolle.

Stanfordin tutkijat ovat keksineet menetelmän, jolla luodaan korkealaatuinen piikarbidieriste kiekkomittakaavassa käyttäen valokemiallista etsausta ja kemiallista mekaanista kiillotusta, minkä jälkeen käytetään vähemmän dopingia sisältäviä laitekerroksia voimakkaasti dopingia sisältävän uhrauskerroksen päällä, ennen kuin se poistetaan valokemiallista etsausta ja kemiallista mekaanista kiillotusta käyttäen, jolloin SiC paljastuu ja mahdollistetaan korkealaatuiset eristimet, jotka soveltuvat kvantti- ja epälineaarisiin fotonisovelluksiin.

Näistä jännittävistä kehityssuuntauksista huolimatta on vielä liian aikaista, että korkean k-k:n dielektriset aineet voidaan ottaa käyttöön 4H-SiC:hen perustuvissa kaupallisissa laitteissa. Siksi on tutkittava muita menetelmiä metalli-eriste-puolijohdekomponenttien valmistamiseksi SiC:llä, kunnes tämä tavoite voidaan saavuttaa.