4H szilícium-karbid - nagy teljesítményű és nagyfrekvenciás alkalmazások

A szilícium-karbidnak számos alkalmazása van a nagy teljesítményű elektronikában és a kvantumtechnológiában. Nemcsak kiváló elektromos tulajdonságairól, hanem nagy hővezető képességéről és kémiai stabilitásáról is ismert.

A wurtzit kristályszerkezet szabálytalan hexagonális, szoros elrendezésű, ABCB sorrendben egymásra rakódó Si C kettősrétegekből álló elrendeződéssel rendelkezik.

Széles sávszélesség

A szilíciumkarbid (4h SiC) széles sávszélességével kivételes félvezető anyagként tűnik ki, és a legtöbb elterjedt elektronikai anyagot, például a szilíciumot (Si) is felülmúlja. A SiC nagy sávhézaga lehetővé teszi, hogy magasabb hőmérsékleten és feszültségen működjön, mint sok társa - ez az előny különösen előnyös a nagy teljesítményt igénylő alkalmazásokban, például az autóipari elektronikában, vagy a hatékony hőelvezetés érdekében, például a repülőgépiparban.

A SiC nagy sávhézagának köszönhetően képes ellenállni a nagy elektromos áttörési mezőknek, így ideális a teljesítményelektronikában, például kapcsolókban, tirisztorokban és MOSFET-ekben. Továbbá, alacsony saját hordozó koncentrációja és erős oxidációs ellenállása révén ellenáll az igényes környezeti körülményeknek, beleértve a magas hőmérsékletet és a mechanikai kopást.

4h A SiC nagy sávhézaga a szilícium 1,5 eV-os sávhézagához képest kedvezően hasonlít, lehetővé téve, hogy a szilíciumalapú alternatívákhoz képest sokkal alacsonyabb ellenállással és elektronmozgékonysággal rendelkezzen, így a SiC kiváló jelölt a szilícium alternatíváknál alacsonyabb költséggel gyártható teljesítményelektronikai eszközök előállítására. Az anyag nagy hordozómozgékonysága azt is jelenti, hogy a szilícium alternatívákhoz képest jelentősen alacsonyabb gyártási költségek mellett hatékonyabb teljesítményelektronikai eszközök kifejlesztésére is felhasználható.

4h A SiC nagy sávszélessége miatt más félvezető anyagoknál, például a GaN-nél vonzóbb olyan összetett félvezetők előállítására, amelyek tovább javíthatják elektromos tulajdonságait, például az emitterekét. Továbbá a 4h SiC kiváló hővezető képessége lehetővé teszi, hogy más félvezetőknél hatékonyabban oszlassa el a hőt, és jobban teljesít zord környezetben, ahol a hőmérséklet-ingadozás más félvezetőket károsíthat.

A SiC jól ismert fizikai és kémiai tulajdonságairól, azonban a figyelemre méltó elektromos transzport tulajdonságainak hátterében álló tudomány még mindig a feltárás alatt áll. Ide tartoznak a kristálymező-felhasadással kapcsolatos kérdések - amely meghatározza a minta lh és hh sávjai közötti elválasztást - egytengelyű feszültség alatt, valamint az, hogy a C-p pályáknak a valenciasávszerkezetre való vetítése hogyan befolyásolja a lyukak mozgékonyságát.

Továbbá teljesen reverzibilis, akár 6,2% értékű rugalmas alakváltozásokat figyeltek meg egykristályos [0001]-orientált 4h SiC kristályokban, ami lehetőséget ad az elektromos tulajdonságok alakváltoztatására a valenciasáv tetejének rendezésének megváltoztatásán keresztül, a nyomófeszültségen keresztül, nem pedig maguknak a pályáknak a deformációján keresztül.

Nagy hordozói mobilitás

A 4h szilíciumkarbid kivételes hordozómozgékonysággal rendelkezik, ami alkalmassá teszi a nagy áramáramú félvezető alkalmazásokhoz, beleértve a nagy feszültségen és frekvencián működő elektronikus eszközöket, mint például az elektromos járművekben (EV) vagy a megújuló energiaforrások átalakítóiban található teljesítménykapcsolók. Hővezető képessége továbbá hozzájárul a hatékony hőelvezetéshez ezekben az eszközökben.

A szilíciumkarbid kristályszerkezete két polytípusra osztható, 6H és 4H. Mindkét polytípus különbözik a szimmetriájuk, rácsállandójuk és atomelrendezésük tekintetében, ami nagy hatással van a tulajdonságaikra és teljesítményükre. A 4H SiC kiemelkedik a 6H SiC-nél nagyobb hővezető képességével, miközben kiváló elektromos és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik - ez a kivételes kombináció a 4H SiC-t számos félvezető eszközben nélkülözhetetlen anyaggá tette.

A szilícium-karbid elektromos és optikai tulajdonságainak pontos előrejelzéséhez a fizikai szerkezet átfogó megértése szükséges. Ez megköveteli annak megértését, hogy az atomi kötések hogyan lépnek kölcsönhatásba az optikai sávszerkezetekkel, amelyek befolyásolják az elektronikus tulajdonságokat.

A kutatók móduszszintű első elvi számításokat végeztek annak érdekében, hogy nagyobb betekintést nyerjenek abba, mi korlátozza a 4H szilíciumkarbidban a hordozók mobilitását, móduszszintű első elvi számítások segítségével. Számításaikból kiderült, hogy az alacsony lyukmozgékonyságot leginkább a nehéz és könnyű lyukak nagy effektív tömege okozza a valenciasáv-maximum (VBM) közelében, valamint az alacsony energiájú akusztikus fononok által közvetített erős sávközi elektron-fonon szórás.

A 4H SiC lyukmozgékonyságát korlátozó másik tényező a spin-orbit csatolás. Ez a hatás kedvezőtlenül hat a VBM közeli valenciasávokra, de viszonylag minimális hatással van a vezetési sávokra. E korlátozás kezelésére a kutatók olyan technikákat dolgoztak ki, amelyekkel a 4H SiC-ben az atomi kötés módosításával csökkenthető a spin-orbit csatolás, és így növelhető a lyukak mobilitása.

Ezek a módosítások bizonyítottan jelentősen javítják a 4H SiC síkbeli és síkon kívüli lyukmozgékonyságát, valamint szigetelő tulajdonságait, ami új stratégiákhoz vezet a szilícium-karbid MOS-tranzisztorok teljesítményének optimalizálásához.

Magas hővezető képesség

A szilícium-karbid nagy hővezető képességgel büszkélkedhet, így kiváló anyagválasztás a teljesítményelektronikai eszközökben való felhasználásra. Továbbá stabilitása miatt ellenáll a termikus sokkoknak, alacsony hőtágulása miatt pedig kémiailag semleges - mindezek a tulajdonságok elengedhetetlenek az ilyen eszközökben. Különböző polytípusok állnak rendelkezésre, a 4H szilíciumkarbid a legnépszerűbb a nagy teljesítményű és frekvenciájú alkalmazásokban, valamint a tűzálló kerámiagyártók által kiváló mechanikai tulajdonságai miatt.

A szilíciumkarbid kiváló hővezető képessége a kristályszerkezetének és az anyagon belüli hibasűrűségének köszönhető. A 4H szilíciumkarbid egymásra rakódó Si C kettősrétegekből áll, amelyek vagy köbös (k) vagy hatszögletes (h) elrendezésben helyezkednek el; továbbá a kristályméret különböző szennyeződésekkel történő adalékolással megváltoztatható, ami a kristályokon belüli hibák különböző formáit eredményezi.

A 4H szilíciumkarbidban a szénüresedés a domináns hiba, és ez felelős a széles sávhézagért. Ezért atomi és elektronikus szerkezetük megértése rendkívül fontos a 4H szilíciumkarbid sikeres felhasználásához. Ezért ez a tanulmány a szén-dioxid-üresedés hibájának különböző kísérleti technikákkal történő jellemzésére összpontosított.

A 4H szilíciumkarbidban jelen lévő szennyeződések és hibák alapos megértése kulcsfontosságú ahhoz, hogy teljes mértékben kiaknázzuk a benne rejlő lehetőségeket a teljesítményelektronikában és a kvantumtechnológiákban. A szerzők a következőkben az ebben az anyagban található szennyeződésekkel és hibákkal kapcsolatos legújabb kísérleti és elméleti eredményekről adnak tájékoztatást.

Egy adott eszközhöz egy adott polytípus a félvezetőipar igényeitől függ. Mind a 4H SiC, mind a 6H SiC kiváló anyag, amely számos félvezetőipari igény kielégítésére alkalmas, ugyanakkor egyedi jellemzőkkel rendelkezik, amelyek megkülönböztetik őket. Talán a legjelentősebb köztük a kristályszerkezetük - a 4H SiC nagyobb szimmetriával rendelkezik, mint a 6H SiC, ami eltérő hibasűrűséghez és kristályminőséghez, valamint a c tengely mentén nagyobb hővezető képességhez vezet, mint a bazális síkban.

Nagy stabilitás

A 4H szilíciumkarbid figyelemre méltó stabilitása kiváló mechanikai szilárdságot és rugalmasságot eredményez, így ideális anyagot jelent a legmodernebb elektronikai és mechanikai alkalmazásokhoz, például az elektromos járművek (EV-k) és megújuló energiarendszerek teljesítmény-félvezetőihez, a tartós repülőgépipari alkatrészekhez és eszközökhöz, valamint a kihívást jelentő körülmények között is megbízható teljesítményt igénylő félvezető teljesítménykomponensekhez.

A szilíciumkarbid kovalens anyag, amely rendezett tetraéderes kristályszerkezetben elhelyezkedő szilícium- és szénatomokból áll. Különböző polytípusokban fordul elő, amelyekben az atomrétegek különbözőképpen vannak elrendezve a kristályrácson belül - gyakran előfordul hexagonális a-szilíciumkarbid, míg a köbös b-szilíciumkarbid hexagonális és tetragonális szerkezetű is.

Mindkét polytípus kiváló elektromos és termikus tulajdonságokkal rendelkezik, azonban atomi elrendezésük jelentősen eltér egymástól, ami egyedi fizikai és kémiai tulajdonságokat eredményez mindkettőnél. Például a hexagonális a-szilíciumkarbidban négy szilíciumatom négy szénatomhoz kötődik, hat kétrétegű magasságú lépcsős szerkezetben, ahogyan az alább látható.

Az a-SiC-ben az egyes kétrétegek a szomszédos rétegektől megközelítőleg 30 fokos szögben helyezkednek el, ami rendkívül hosszú kovalens kötéshosszúságú, nagy vezetőképességű és ellenállású szerkezetet hoz létre. Továbbá a széles sávhézag lehetővé teszi, hogy nagy sebességű elektronokat termeljen a gyors energiaátvitelhez.

Sekély donor szennyeződésként a nitrogén adalékolás növeli a SiC szubsztrát elektromos vezetőképességét a C rácshelyek kitöltésével. A maximális vezetőképesség eléréséhez azonban egyensúlyt kell teremteni a kristálystabilitás és az adalékkoncentráció között - a túl sok adalékolás kettős Shockley réteghibákat idézhet elő, és túl nagy koncentráció esetén 3C SiC többféle zárványhibát eredményezhet.

A kutatók nemrégiben felfedezték, hogy a 0,5 tömegszázalékos adalékkoncentráció hatékonyan mérsékelheti a felületi lépések növekedését és elősegítheti a folyamatos c-tengely irányú egykristályos szerkezetek kialakulását, a magkristály polaritásának és az adalékkoncentrációnak a növekedési folyamatok során történő szabályozásával. Továbbá a cérium adalékolás sikeresnek bizonyult a 4H SiC kristályformák stabilizálásában is a többféle zárványhibák elnyomása révén.