Szilícium-karbid és annak széles sávhézaga

A szilícium-karbid rendkívül megbízható, széles sávhézagú félvezető anyag. Ez lehetővé teszi, hogy a belőle készült eszközök magasabb feszültségen, frekvencián és hőmérsékleten működjenek, mint a hagyományos szilíciumeszközök.

Az egyrétegű SiC lehet a katalizátora a magas hőmérsékletű elektronika és az energiaellátó eszközök forradalmi fejlődésének. Páratlan optikai, mechanikai, kémiai és mágneses tulajdonságokkal rendelkezik a magas hőmérsékletű eszközök páratlan funkcionalitása érdekében.

Nagyobb sávhézag

A félvezetők sávhézaga a valenciasávjuk és a vezetési sávjuk közötti tér; ez az energiarés jelenti azt a minimális energiamennyiséget, amelyre egy fotonnak szüksége van ahhoz, hogy az elektronokat az egyik sávból a másikba gerjessze, elektromos áramot hozzon létre, és így hatékonyan működtesse őket. A sávhézagok központi szerepet játszanak működésükben; a félvezetők között azonban az anyagösszetételüktől függően eltérések vannak.

A szilícium, az egyik leggyakrabban használt félvezető, sávhézaga jellemzően 0,6 eV és 1,5 eV között van, ami azt jelenti, hogy a szilíciumalapú eszközök működéséhez viszonylag magas feszültségre van szükség. Sajnos a termikus aktiválás megakadályozhatja az eszköz megfelelő működését. A széles sávhézagú félvezetők (WBG) nagyobb védelmet nyújtanak a termikus aktivációval szemben, mivel magasabb feszültségen és frekvencián működnek.

A WBG félvezető technológiák gyorsan előtérbe kerültek a nagyobb hatékonyságot és gyorsabb kapcsolást igénylő teljesítményelektronikai alkalmazásokban, például a szélsőséges feszültségek, hőmérsékletek vagy sugárszennyezett környezetben működő alkalmazásokban. Ezek a technológiák nem csak képesek ilyen szélsőséges körülmények között működni, hanem a vezetési és kapcsolási veszteségek csökkentésével jelentősen javítják a teljesítményt is - így tovább növelik a hatékonyságot és a gyorsabb kapcsolási időt.

A szilícium-karbid egyedülálló fizikai és elektronikus tulajdonságai miatt az egyik legígéretesebb WBG félvezető. A szilíciumot és a szenet váltakozó hexagonális szerkezetben, a gyémánthoz hasonló erős kovalens kötésekkel kombinálva a szilícium-karbid rendkívül nagy sávhézaggal rendelkezik, a szilícium társainál háromszor nagyobb lavinaszerű áttörési mezővel.

A WBG félvezetők kiemelkedő teljesítményt nyújtanak az ütközéses ionizáció - az a folyamat, amelynek során a gerjesztett elektronok a rács atomjaival ütközve fotonokat hoznak létre, amelyek a LED-ek és lézerek számára előállított rövid hullámhosszú fényt eredményezik - tekintetében, mivel a szilícium társaiknál jobban ellenállnak a magas feszültségeknek és frekvenciáknak az ütközéses ionizáció során. A WBG-k szilícium társaikhoz képest sokkal jobban ellenállnak az ilyen ütközéses ionizációs folyamatoknak.

A gallium-nitrid és a szilícium-karbid félvezetők széles sávhézaggal (WBG) rendelkeznek, amelyek a szilíciumnál háromszor nagyobb sávhézaggal büszkélkedhetnek, így ideálisak a teljesítményelektronikai alkalmazásokhoz. Sávjaik a Brillouin-zóna különböző részein létezhetnek, de hasonló elektronszerkezetűek; a lágy röntgenabszorpciós és -emissziós (SXA) spektroszkópia kimutatta ezt a jelenséget, és megállapította, hogy a helyi részleges állapotsűrűségük (LPDOS) közel azonos a köbös 3C-SiC, a hexagonális 4H-SiC és a romboéderes 6H-SiC esetében.

Magasabb feszültségek

A szilícium-karbid szélesebb sávhézaga lehetővé teszi, hogy a teljesítmény-félvezetők magasabb feszültségen és hőmérsékleten működjenek, így alkalmasak az olyan teljesítmény-átalakító eszközökhöz, mint a diódák és a MOSFET-ek. A szilícium-karbid csökkentheti az áramkörök magas hőmérséklettől való védelmére jelenleg használt bonyolult aktív hűtőrendszerek szükségességét; az ilyen rendszerek növelik a járművek tömegét, költségeit és bonyolultságát. Továbbá a magasabb üzemi hőmérséklet segíthet a nagy kapacitású akkumulátorok kiküszöbölésében, amelyek előállítása költséges, miközben értékes helyet foglalnak el a járművekben.

A szilícium-karbid átütési mezeje az egyik fő tényezője annak, hogy a hagyományos félvezetőknél nagyobb feszültséget képes kezelni, mivel elegendő energiát biztosít az elektronoknak ahhoz, hogy áttörjék a valencia- és vezetési sávok közötti korlátokat. A szilíciumkarbid a szilíciumhoz képest 10-szer nagyobb átütési térrel büszkélkedhet, míg a gallium-nitrid a 3,3 MV/cm-es átütési térnek köszönhetően még nagyobb feszültségeket képes kezelni - tovább növelve sokoldalúságát elektromos vezetőként.

A szilícium-karbid kiemelkedik a többi “széles sávhézagú” félvezető közül, mivel számos olyan tulajdonsággal büszkélkedhet, amelyek alkalmassá teszik a teljesítményelektronikai alkalmazásokhoz, beleértve a széles sávhézagot, a hőmérséklet-tűrést és a sugárzásállóságot. A szilícium-karbid az egyik legfejlettebb “széles sávhézagú” félvezető a tömegkristályok növekedési folyamatai, az eszközgyártási folyamatok, a magas hőmérsékletű alkalmazások, például a teljesítménytranzisztorok/egyenirányítók/turbinamotorok égésellenőrzése és a lángdetektorok tekintetében; a szilícium-karbid valóban a “széles sávhézagú” anyagok egyike.

A szilícium-karbid széles sávhézaga lehetővé teszi, hogy számos áramátalakító alkalmazásban, többek között DC-DC átalakítókban és elektromos járművek fedélzeti töltőiben használják. Mivel magas hőmérsékleten is jól működik, miközben kiváló feszültségblokkoló tulajdonságokkal rendelkezik, a szilícium-karbid kiváló anyagválasztás az energiaátalakítás hatékonyságának javítására, mivel csökkenti a hagyományos szilíciumeszközök által okozott energiaveszteséget.

A szilíciumkarbid integrálása speciális készségeket igényel, hogy a felhasználása az energiaátalakító rendszerhez igazodjon, és megfeleljen a méret- és tervezési előírásoknak. Az Aptiv rendszerintegrátorként szerzett szakértelmének köszönhetően megfelelő helyzetben van ahhoz, hogy segítsen a gyártóknak az egyedi alkalmazásokhoz megfelelő teljesítményspecifikációk és anyagváltozatok kiválasztásában.

Magasabb frekvencia

A szilícium-karbid a közelmúltban nagy hullámokat vert a félvezetőiparban széles sávhézagának köszönhetően. A szilíciumkarbid szilíciumból (14-es atomi szám) és szénből áll, erős kovalens kötésekkel erős és stabil szerkezeteket alkotva, a szilícium-karbid a szilíciumeszközökkel ellentétben példátlan elektromos térerősséggel és hővezető képességgel rendelkezik, ami vonzó jelöltet jelent a kemény környezetben, többek között magas hőmérsékleten vagy sugárzásnak kitéve működő teljesítményelektronikai eszközök számára.

A SiC széles sávhézaga lehetővé teszi a magasabb frekvenciákon való működést is, így kiváló választás a változó feszültségeket és áramerősségeket kezelő átalakítókhoz. Ez az energiatakarékos tulajdonsága továbbá a SiC-t energiatakarékosabbá teszi a hagyományos félvezetőknél.

A szilíciumalapú technológiák a teljesítményelektronikában elérik határaikat, ami új anyagokat igényel. A gallium-nitrid és a szilícium-karbid potenciális helyettesítőként jelent meg, amelyek magasabb frekvenciákon jobb ellenállóképességet nyújtanak, miközben lehetővé teszik a szélesebb spektrumú alkalmazásokhoz szükséges összetettebb áramkörök kialakítását.

A széles sávhézag a félvezetők szerves része, amely lehetővé teszi az elektronok könnyű áramlását a valenciasáv és a vezetési sáv között. Ez a rés határozza meg, hogy egy anyag vezetőként vagy szigetelőként viselkedik-e; a vezetőknél a rés átfedésben van, míg a szigetelőknél jelentős mennyiségű energiára van szükség az átjutáshoz. A félvezetők keskenyebb réssel rendelkeznek, mint a szigetelők, és ezért nagyobb vezetőképességet biztosítanak, mint társaik, anélkül, hogy az átlépéshez annyi energiára lenne szükség.

A legújabb tanulmányok kimutatták, hogy a SiC hexagonális szerkezetének feszültsége befolyásolja annak elektronikus tulajdonságait, különösen a sávhézagot. A kapott eredmények szerint az ömlesztett szilíciumkarbid HOMO- és LUMO-szintje függ a polytípustól. Ez a hatás különösen kifejezett a nanokristályos SiC esetében, ahol a polytípusosság az egy kristályszerkezeten belüli különböző kristályrajzi orientációk miatt keletkezik. Az 1,5 nm átmérőjű SiC nanokristályok (NC-k) a LUMO energiájuk megváltozása miatt kék eltolódást mutatnak. Az 1. táblázat a kísérleti EBD-ket (“Experiment”, piros) és az elméleti számításokat (“Theory-GW”, kék) tartalmazza. A nagyobb NC-k megnövekedett LUMO-energiája csökkenti a sávhézagot, hasonlóan az ömlesztett szilíciumkarbidnál tapasztaltakhoz.

Magasabb hőmérséklet

A széles sávhézagú (WBG) anyagok a szilícium félvezetőknél magasabb hőmérsékletet és feszültségtűrést biztosítanak, így kiváló választásnak bizonyulnak a szélsőséges körülmények között működő teljesítményelektronikai alkalmazásokhoz. A WBG félvezetők ráadásul sugárzásállóak - tökéletesek az elektromos járművek környezetében!

A gallium-nitrid (GaN) és a szilícium-karbid (SiC) a legkeresettebb széles sávhézagú félvezetők közé tartoznak, mivel a hagyományos félvezetőknél magasabb üzemi hőmérsékleten működnek, és nagyobb feszültségű alkalmazásokban használhatók. A GaN-t és a SiC-et a szilíciumtól az különbözteti meg, hogy sávhézaguk körülbelül háromszor nagyobb; ez határozza meg, hogy az elektronok milyen gyorsan mozognak a vezetési és a valenciasávok között, valamint azt, hogy ezek az anyagok mennyi fényt képesek elnyelni.

A szilícium-karbid egy rendkívül nagy hővezető képességű összetett anyag. A Föld egyik legkeményebb anyagaként a szilíciumkarbid vágásához gyémánthegyű pengékre van szükség. Bár a természetben ritka, a szilíciumkarbid szintetikusan is előállítható, ha a szilícium-dioxidot magas hőmérsékleten, elektromos kemencében szénnel redukálják. A szilíciumkarbidnak számos előnye van a hagyományos szilícium félvezetőkkel szemben, többek között a szélesebb üzemi hőmérséklettartomány és a sugárzásállóság.

A SiC-ről ismert, hogy rendkívül széles fotonikus sávhézaggal rendelkezik, ami alkalmassá teszi a kvantuminformáció-feldolgozó rendszerek számára. A SiC széles fotonikus sávhézaga hatékonyan gyűjti össze a színközép emissziót egyetlen optikai módusba; e tulajdonság teljes kihasználásához meg kell érteni, hogyan változik a sávhézag a hőmérséklet függvényében.

A legújabb kutatások kimutatták, hogy a SiC abszorpciós együtthatója a hőmérséklet növekedésével nő, ami a közvetett sávhézag csökkenésének és a fononsűrűség növekedésének köszönhető. A kísérleti adatok megerősítették ezeket az eredményeket, és jó egyezést mutattak az elméleti és kísérleti eredmények között.

A szerzők négyféle szilíciumkarbid (4H-SiC és 6H-SiC), valamint a köbös b-szilíciumkarbid (3C-SiC) fotonikus sávhézagainak átfogó vizsgálatát végezték el. Elemzéseik arra a következtetésre jutottak, hogy a 3C-SiC páratlan PBG-vel rendelkezik mind a TE-szerű, mind a TM-szerű emisszió tekintetében, mivel a TM-rés teljesen átfedésben van a TE-résszel.