Carbure de silicium 4H Vs Carbure de silicium 6H

Le 4H-SiC est un polytype de carbure de silicium de plus en plus populaire. En raison de sa large bande interdite et de ses excellentes propriétés thermiques, électriques et mécaniques, il constitue un matériau idéal pour les applications d'électronique de puissance.

Nous avons étudié la déformation élastique et le comportement de fissuration d'un spécimen de pilier 4H-SiC monocristallin avec l'orientation [0001] en effectuant quatre fois des essais de déformation par compression avec quatre cycles de chargement/déchargement pour les essais de déformation par compression.

Dureté

Le carbure de silicium (communément appelé "carborundum" ou "joyau de la couronne") est le matériau naturel le plus dur sur Terre. Composé d'éléments de silicium et de carbone, le carbure de silicium est naturellement présent dans la nature sous forme de gemmes de moissanite ; la production de masse a commencé en 1893 pour être utilisée comme abrasif et outil de coupe - on le trouve généralement sous forme de petits grains comme abrasif ou de grands cristaux uniques taillés en pierres précieuses - ou directement taillé dans de grands cristaux pour l'utilisation d'outils de coupe. Ses propriétés le rendent idéal pour les applications électriques en raison de sa durabilité face aux températures et aux tensions élevées - ce qui fait du carbure de silicium un excellent choix de matériau pour les applications électriques.

La résistance du 4H-SiC à des tensions et températures élevées en fait un matériau utile pour la production de dispositifs à radiofréquences (RF) tels que les amplificateurs de puissance dans les stations de base cellulaires ainsi que les capteurs pour l'aérospatiale et l'automobile. En outre, son excellente conductivité thermique permet une dissipation efficace de la chaleur des appareils électroniques.

La nanoindentation instrumentée peut être une méthode utile pour mesurer les propriétés mécaniques des matériaux 4H-SiC, notamment la dureté et le module d'élasticité. Toutefois, sa géométrie est connue pour influencer les valeurs de dureté dans des conditions de faible charge, ce qui peut donner lieu à de fausses lectures avec des fissures graves observées aux coins des empreintes de pénétration qui en résultent.

Rigidité

La rigidité du carbure de silicium est l'une de ses principales caractéristiques, ce qui en fait un matériau précieux pour les applications d'électronique de puissance et les miroirs de télescopes. En outre, il résiste aux températures élevées et aux champs électriques sans perdre son intégrité - des qualités idéales si l'on tient compte de la dilatation thermique lors de l'utilisation de télescopes astronomiques.

La large bande interdite du carbure de silicium le rend adapté aux applications à haute tension et à haute fréquence, mais il est essentiel de choisir le polytype approprié pour chaque application. Les différents arrangements atomiques influencent les propriétés physiques et électriques des matériaux, 4H et 6H étant deux choix populaires parmi les polytypes de carbure de silicium qui possèdent des propriétés similaires, mais des structures cristallines et des arrangements atomiques différents.

L'arrangement atomique du 4H-SiC peut avoir un impact substantiel sur ses performances en matière de déformation fragile. Les configurations atomiques sur les plans (12-10) et (0001) produisent des propriétés différentes telles que la dureté et le module d'élasticité qui se manifestent par des courbes charge-vers-profondeur d'indentation ; en outre, les indentations basales ont un module d'élasticité plus élevé que les indentations prismatiques.

[Les nanopiliers de 4H-SiC monocristallins orientés présentent une opportunité intéressante d'ingénierie de la mobilité des électrons et de la structure de la bande interdite par le biais d'une déformation nanomécanique, ce qui permet de développer des matériaux offrant une mobilité accrue des électrons et des dispositifs électroniques de puissance à faible perte, ainsi qu'une plate-forme pour la création de systèmes microélectromécaniques (MEMS) ou de dispositifs flexibles.

Conductivité thermique

Le carbure de silicium est un matériau impressionnant qui présente des propriétés mécaniques, électriques et optiques supérieures. Très durable et résistant aux chocs thermiques, sa dureté et sa rigidité le destinent aux applications aérospatiales et aux composants mécaniques. Ses faibles taux de dilatation thermique et ses excellentes propriétés de conductivité thermique le destinent également à l'électronique de puissance. Le carbure de silicium fait partie intégrante de nombreux appareils électroniques de pointe.

La structure cristalline du carbure de silicium détermine ses propriétés et ses performances. Il existe différents polytypes, tels que 6H et 4H. Chacun diffère par sa structure cristalline, ses constantes de réseau, ses propriétés physiques et la distribution des interstitiels et des lacunes de carbone - par exemple, la vitesse d'injection des interstitiels sur une surface oxydante, leur diffusivité dans les matériaux de carbure de silicium en vrac peut influencer la recombinaison des lacunes au sein du carbure de silicium.

Les films de SiC contenant de faibles concentrations d'impuretés de bore présentent des conductivités thermiques isotropes élevées, connues sous le nom de coefficients de conductivité thermique. Le 3C-SiC excelle avec des coefficients de conductivité thermique isotrope supérieurs à 500 W m-1 K-1, ce qui le place en deuxième position derrière le diamant monocristallin. En outre, cette valeur est nettement supérieure à celle d'autres semi-conducteurs à grand cristal tels que le 4H-SiC et l'AlN en tant que matériaux à implants ioniques, mais inférieure à celle du 6H-SiC en raison de l'absence de lacunes de carbone dans sa structure.

Conductivité électrique

Le carbure de silicium est un matériau semi-conducteur extrêmement polyvalent qui trouve de nombreuses applications dans de nombreux domaines de l'électronique et au-delà. Grâce à sa conductivité thermique et à ses caractéristiques de large bande interdite, le carbure de silicium constitue un excellent choix de matériau pour les dispositifs électroniques à haute puissance et à haute fréquence, ainsi que pour les véhicules électriques et les systèmes d'énergie renouvelable. Il existe différents polytypes de carbure de silicium, chacun offrant ses propres forces et faiblesses. Comprendre les différences entre le 4H-SiC et le 6H-SiC peut aider les fabricants à choisir le matériau idéal pour des projets spécifiques.

La structure cristalline du carbure de silicium est déterminante pour ses propriétés électriques et thermiques. Composé de doubles couches d'atomes de carbone disposées selon une séquence d'empilement ABCB ou ABBA, son cristal présente une symétrie et des constantes de réseau différentes selon la séquence d'empilement utilisée ; les cristaux de SiC 4H présentent des formes hexagonales, tandis que les cristaux de SiC 6H présentent des formes cubiques.

Les ions H+ implantés dans le 4H-SiC peuvent disloquer et déplacer ses atomes Si et C, créant ainsi des défauts ponctuels qui piègent les électrons. La diffraction des rayons X permet de détecter ces défauts ponctuels qui piègent les électrons ; la spectroscopie de photoluminescence mesure ces défauts pour caractériser le processus d'implantation ionique, tandis que les courbes de basculement mesurent la déformation causée par ce processus d'implantation ; même si sa résistance mécanique rend ce matériau très résistant aux contraintes et aux déformations, le 4H-SiC reste sensible aux contraintes et aux déformations en raison des influences extérieures.