Carburo di silicio 4H - Applicazioni ad alta potenza e ad alta frequenza

Il carburo di silicio trova molte applicazioni nell'elettronica ad alta potenza e nelle tecnologie quantistiche. Non solo è noto per le sue eccellenti proprietà elettriche, ma anche per la sua elevata conducibilità termica e stabilità chimica.

La struttura cristallina della wurtzite presenta una disposizione esagonale irregolare a pacchetti ravvicinati, composta da doppi strati di Si C che si impilano in una sequenza ABCB.

Ampio Bandgap

Il carburo di silicio (4h SiC) si distingue come un eccezionale materiale semiconduttore grazie al suo ampio bandgap, superiore a quello dei più comuni materiali elettronici come il silicio (Si). L'ampio bandgap del SiC gli consente di funzionare a temperature e tensioni più elevate rispetto a molte altre sue controparti: un vantaggio particolarmente utile nelle applicazioni che richiedono prestazioni elevate, come l'elettronica automobilistica, o per un'efficiente dissipazione del calore, come le applicazioni aerospaziali.

L'ampio bandgap del SiC lo rende in grado di sopportare elevati campi elettrici di breakdown, rendendolo ideale per l'elettronica di potenza come interruttori, tiristori e MOSFET. Inoltre, la sua bassa concentrazione intrinseca di portatori e la forte resistenza all'ossidazione lo aiutano a sopportare condizioni ambientali difficili, come le alte temperature e l'usura meccanica.

4h L'ampio bandgap del SiC si confronta favorevolmente con il gap di 1,5eV del silicio, consentendogli di presentare una resistenza on-state e una mobilità degli elettroni molto più basse rispetto alle alternative basate sul silicio, rendendo il SiC un candidato eccellente per la produzione di dispositivi elettronici di potenza a costi inferiori rispetto alle alternative in silicio. L'elevata mobilità dei portatori di questo materiale significa anche che può essere utilizzato per sviluppare dispositivi elettronici di potenza più efficienti a costi di produzione significativamente ridotti rispetto alle alternative al silicio.

L'ampio bandgap del 4h SiC lo rende più interessante di altri materiali semiconduttori come il GaN per la crescita di semiconduttori composti che possono migliorare ulteriormente le sue proprietà elettriche, come gli emettitori. Inoltre, la superiore conducibilità termica del 4h SiC gli consente di disperdere il calore in modo più efficace rispetto ad altri semiconduttori e di funzionare meglio in ambienti difficili, dove le fluttuazioni di temperatura potrebbero danneggiare altri semiconduttori.

Il SiC è ben noto per le sue proprietà fisiche e chimiche; tuttavia, la scienza alla base delle sue notevoli proprietà di trasporto elettrico è ancora in fase di esplorazione. Tra queste figurano le questioni relative alla divisione del campo cristallino - che determina la separazione tra le bande lh e hh in un campione - in presenza di una deformazione uniassiale, nonché il modo in cui la proiezione degli orbitali C-p sulla struttura della banda di valenza influisce sulla mobilità delle buche.

Inoltre, sono state osservate deformazioni elastiche completamente reversibili fino a 6,2% in cristalli singoli [0001]-orientati 4h di SiC, offrendo l'opportunità di modulare le proprietà elettriche attraverso l'alterazione dell'ordinamento della banda di valenza superiore mediante sollecitazioni compressive piuttosto che la deformazione degli orbitali stessi.

Elevata mobilità del vettore

Il carburo di silicio 4h ha un'eccezionale mobilità dei portatori che lo rende adatto alle applicazioni dei semiconduttori che richiedono grandi flussi di corrente, compresi i dispositivi elettronici che funzionano ad alte tensioni e frequenze, come gli interruttori di potenza presenti nei veicoli elettrici (EV) o nei convertitori di energia rinnovabile. Inoltre, la sua conducibilità termica contribuisce a garantire un'efficace dissipazione del calore in questi dispositivi.

La struttura cristallina del carburo di silicio può essere suddivisa in due politipi, 6H e 4H. Ciascun politipo differisce in termini di simmetria, costante reticolare e disposizione atomica, il che influisce notevolmente sulle proprietà e sulle prestazioni. Il SiC 4H si distingue per la sua maggiore conducibilità termica rispetto al SiC 6H, pur offrendo ottime proprietà elettriche e meccaniche: una combinazione eccezionale che ha reso il SiC 4H un materiale essenziale in molti dispositivi a semiconduttore.

Per prevedere con precisione le proprietà elettriche e ottiche del carburo di silicio, è necessaria una comprensione completa della sua struttura fisica. Ciò richiede una valutazione del modo in cui i legami atomici interagiscono con le strutture a bande ottiche che influenzano le proprietà elettroniche.

I ricercatori hanno condotto calcoli di primo livello di modalità per ottenere una maggiore comprensione di ciò che limita la mobilità dei portatori nel carburo di silicio 4H, utilizzando calcoli di primo livello di modalità. I calcoli hanno rivelato che la bassa mobilità delle buche è causata principalmente da grandi masse effettive per le buche pesanti e leggere in prossimità del massimo della banda di valenza (VBM), nonché da un forte scattering interbanda elettrone-fonone mediato da fononi acustici a bassa energia.

Un altro fattore che limita la mobilità delle buche nel 4H SiC è l'accoppiamento spin-orbita. Questo effetto ha un impatto negativo sulle bande di valenza vicino alla VBM, ma un effetto relativamente minimo sulle bande di conduzione. Per ovviare a questa limitazione, i ricercatori hanno ideato tecniche per modificare il legame atomico nel 4H SiC per ridurre l'accoppiamento spin-orbita e aumentare così la mobilità delle buche.

Queste modifiche si sono dimostrate in grado di migliorare significativamente la mobilità delle buche sia in piano che fuori piano del SiC 4H e le sue proprietà isolanti, portando a nuove strategie per ottimizzare le prestazioni dei transistor MOS al carburo di silicio.

Alta conducibilità termica

Il carburo di silicio vanta un'elevata conduttività termica, che lo rende un materiale eccellente per l'impiego nei dispositivi elettronici di potenza. Inoltre, la sua stabilità lo rende resistente agli shock termici e la sua bassa espansione termica lo rende chimicamente inerte - tutte caratteristiche essenziali in questi dispositivi. Sono disponibili diversi politipi: il carburo di silicio 4H è il più popolare per le applicazioni ad alta potenza e frequenza ed è utilizzato dai produttori di ceramica refrattaria per le sue eccezionali proprietà meccaniche.

L'elevata conduttività termica del carburo di silicio è dovuta sia alla sua struttura cristallina che alla densità dei difetti all'interno del materiale. Il carburo di silicio 4H è costituito da doppi strati di Si C impilati in disposizioni cubiche (k) o esagonali (h); inoltre, le dimensioni dei cristalli possono essere modificate attraverso il drogaggio con diverse impurità, dando luogo a varie forme di difetti all'interno dei cristalli.

Le vacanze di carbonio sono il difetto dominante nel carburo di silicio 4H e sono responsabili del suo ampio band gap. Pertanto, la comprensione delle loro strutture atomiche ed elettroniche è di estrema importanza per utilizzare con successo il carburo di silicio 4H. Per questo motivo, il presente studio si è concentrato sulla caratterizzazione dei difetti di vacuità del carbonio con varie tecniche sperimentali.

Una comprensione approfondita delle impurità e dei difetti presenti nel carburo di silicio 4H è fondamentale per realizzare il suo pieno potenziale nell'elettronica di potenza e nelle tecnologie quantistiche. In questa sede, gli autori forniscono un aggiornamento dei recenti progressi sperimentali e teorici relativi alle impurità e ai difetti presenti in questo materiale.

La scelta di un politipo specifico per un determinato dispositivo dipende dalle esigenze dell'industria dei semiconduttori. Sia il 4H SiC che il 6H SiC sono materiali eccellenti adatti a molte esigenze dell'industria dei semiconduttori, ma presentano caratteristiche uniche che li differenziano. La più importante è forse la loro struttura cristallina: il 4H SiC ha una simmetria più elevata rispetto al 6H SiC, il che comporta una diversa densità di difetti e qualità del cristallo, nonché una maggiore conducibilità termica lungo l'asse c rispetto al piano basale.

Alta stabilità

La notevole stabilità del carburo di silicio 4H si traduce in un'eccellente resistenza meccanica e resilienza, che lo rende un materiale ideale per applicazioni elettroniche e meccaniche all'avanguardia, come i semiconduttori di potenza per i veicoli elettrici (EV) e i sistemi di energia rinnovabile, i componenti e i dispositivi aerospaziali durevoli e i componenti di potenza dei semiconduttori che richiedono prestazioni affidabili in condizioni difficili.

Il carburo di silicio è un materiale covalente composto da atomi di silicio e carbonio disposti in una struttura cristallina tetraedrica ordinata. È disponibile in vari politipi con diverse disposizioni degli strati atomici all'interno del reticolo cristallino: spesso si trova il carburo di silicio a esagonale, mentre il carburo di silicio b cubico ha strutture sia esagonali che tetragonali.

Entrambi i politipi presentano eccellenti proprietà elettriche e termiche; tuttavia, le rispettive disposizioni atomiche differiscono in modo significativo, creando caratteristiche fisiche e chimiche uniche per ciascuno di essi. Ad esempio, il carburo di silicio a esagonale presenta quattro atomi di silicio legati a quattro atomi di carbonio in una struttura a gradini di altezza pari a sei strati, come illustrato di seguito.

Nell'a-SiC, ogni bilayer è disposto con un angolo di circa 30° rispetto agli strati adiacenti, creando una struttura con legami covalenti estremamente lunghi e un'elevata conduttività e resistenza. Inoltre, l'ampio bandgap consente di produrre elettroni ad alta velocità per un rapido trasferimento di energia.

Come impurezza donatrice poco profonda, il drogaggio dell'azoto aumenta la conducibilità elettrica dei substrati di SiC riempiendo i siti del reticolo C. Tuttavia, per ottenere la massima conducibilità, è necessario trovare un equilibrio tra la stabilità del cristallo e la concentrazione di drogaggio: un drogaggio eccessivo può indurre doppi difetti di impilamento Shockley e dare origine a difetti di inclusione di tipo multiplo 3C SiC se la concentrazione è troppo elevata.

I ricercatori hanno recentemente scoperto che concentrazioni di drogaggio dello 0,5 in peso possono efficacemente mitigare la crescita di gradini superficiali e incoraggiare la formazione di strutture a cristallo singolo con direzioni continue dell'asse c, controllando la polarità del cristallo seme e la concentrazione di drogaggio durante i processi di crescita. Inoltre, il drogaggio del cerio si è rivelato efficace per stabilizzare le forme cristalline di SiC 4H sopprimendo i difetti di inclusione multitipo.