4H silīcija karbīds - lieljaudas un augstfrekvences lietojumi

Silīcija karbīds ir plaši pielietojams lieljaudas elektronikā un kvantu tehnoloģijās. Tas ir pazīstams ne tikai ar savām izcilajām elektriskajām īpašībām, bet arī ar augstu siltumvadītspēju un ķīmisko stabilitāti.

Vurcīta kristāliskajai struktūrai raksturīgs neregulārs sešstūrains ciešs sakārtojums, ko veido Si C dubultslāņi, kas sakārtoti ABCB secībā.

Plaša joslas sprauga

Silīcija karbīds (4h SiC) izceļas kā izcils pusvadītāju materiāls, pateicoties tā plašajam joslas spraugas laukumam, kas pārspēj lielāko daļu parasto elektronisko materiālu, piemēram, silīciju (Si). SiC lielais joslas spraugas intervāls ļauj tam darboties augstākās temperatūrās un pie augstākiem spriegumiem nekā daudziem citiem analogiem - šī priekšrocība ir īpaši noderīga lietojumos, kur nepieciešama augsta veiktspēja, piemēram, automobiļu elektronikā, vai efektīvai siltuma izkliedēšanai, piemēram, kosmiskās aviācijas lietojumos.

SiC lielais joslas spraugas intervāls ļauj tam izturēt augstus sadalīšanās elektriskos laukus, padarot to ideāli piemērotu energoelektronikai, piemēram, slēdžiem, tiristoriem un MOSFET. Turklāt tā zemā raksturīgā nesēju koncentrācija un spēcīgā oksidācijas izturība palīdz izturēt sarežģītus vides apstākļus, tostarp augstu temperatūru un mehānisko nodilumu.

4h SiC lielā joslas sprauga ir salīdzināma ar silīcija 1,5eV spraugu, kas ļauj tam nodrošināt daudz zemāku pretestību un elektronu mobilitāti, salīdzinot ar alternatīvām uz silīcija bāzes, padarot SiC par lielisku kandidātu energoelektronikas ierīču ražošanai ar zemākām izmaksām nekā silīcija alternatīvas. Šī materiāla augstā nesēju mobilitāte arī nozīmē, ka to var izmantot, lai izstrādātu efektīvākas energoelektroniskās ierīces ar ievērojami zemākām ražošanas izmaksām nekā silīcija alternatīvas.

4h SiC lielā joslas sprauga padara to pievilcīgāku par citiem pusvadītāju materiāliem, piemēram, GaN, lai audzētu saliktos pusvadītājus, kas var vēl vairāk uzlabot tā elektriskās īpašības, piemēram, emitētājus. Turklāt 4h SiC lielā siltumvadītspēja ļauj tam efektīvāk izkliedēt siltumu nekā citiem pusvadītājiem un labāk darboties skarbās vidēs, kur temperatūras svārstības varētu bojāt citus pusvadītājus.

SiC ir labi pazīstams ar savām fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām, tomēr zinātniskais pamatojums tā ievērojamajām elektropārvades īpašībām joprojām tiek pētīts. Tas ietver jautājumus, kas saistīti ar kristāliskā lauka sadalīšanu, kas nosaka lh un hh joslu atdalīšanu paraugā, vienass deformācijas apstākļos, kā arī to, kā C-p orbitāļu projekcija uz valences joslas struktūru ietekmē caurumu kustīgumu.

Turklāt monokristāla [0001]-orientētos 4h SiC kristālos tika novērotas pilnīgi atgriezeniskas elastīgas deformācijas līdz 6,2%, kas nodrošina iespēju deformācijas modulācijai tā elektrisko īpašību, mainot valences joslas augšdaļas sakārtojumu, izmantojot saspiešanas spriegumu, nevis pašu orbitāļu deformāciju.

Augsta nesēja mobilitāte

4h silīcija karbīdam piemīt ārkārtēja nesēju kustība, kas padara to piemērotu pusvadītāju lietojumiem, kuros nepieciešamas lielas strāvas plūsmas, tostarp elektroniskām ierīcēm, kas darbojas pie augstiem spriegumiem un frekvencēm, piemēram, jaudas slēdžiem, kas atrodami elektriskajos transportlīdzekļos (EV) vai atjaunojamās enerģijas pārveidotājos. Turklāt tā siltumvadītspēja palīdz nodrošināt efektīvu siltuma izkliedi šajās ierīcēs.

Silīcija karbīda kristālisko struktūru var iedalīt divos politipos - 6H un 4H. Katrs politips atšķiras ar savu simetriju, režģa konstanti un atomu izvietojumu, kas ietekmē to īpašības un veiktspēju. 4H SiC izceļas ar augstāku siltumvadītspēju nekā 6H SiC, vienlaikus piedāvājot lieliskas elektriskās un mehāniskās īpašības - tas ir ārkārtējs apvienojums, kas 4H SiC ir padarījis par būtisku materiālu daudzās pusvadītāju ierīcēs.

Lai precīzi prognozētu silīcija karbīda elektriskās un optiskās īpašības, ir nepieciešama visaptveroša izpratne par tā fizikālo struktūru. Tas prasa izpratni par to, kā atomu saites mijiedarbojas ar optisko joslu struktūrām, kas ietekmē tā elektroniskās īpašības.

Pētnieki ir veikuši modeļu līmeņa pirmo principu aprēķinus, lai, izmantojot modeļu līmeņa pirmo principu aprēķinus, gūtu labāku ieskatu par to, kas ierobežo nesēju mobilitāti 4H silīcija karbīdā. Veiktie aprēķini atklāja, ka tā zemo caurumu mobilitāti galvenokārt izraisa lielās efektīvo masas smagajiem un vieglajiem caurumiem tuvu valences joslas maksimumam (VBM), kā arī spēcīga starpjoslu elektronu-fononu izkliedes ietekme, ko nodrošina zemas enerģijas akustiskie fononi.

Vēl viens 4H SiC caurumu mobilitāti ierobežojošs faktors ir tā spina-orbītas sakabe. Šim efektam ir nelabvēlīga ietekme uz valences joslām VBM tuvumā, bet relatīvi minimāla ietekme uz vadītspējas joslām. Lai novērstu šo ierobežojumu, pētnieki ir izstrādājuši metodes, kā modificēt atomu saiti 4H SiC, lai samazinātu spin-orbitālo sakabes spēju un tādējādi palielinātu caurumu mobilitāti.

Ir pierādīts, ka šīs modifikācijas ievērojami uzlabo 4H SiC caurumu mobilitāti gan plaknē, gan ārpus tās, kā arī tā izolācijas īpašības, tādējādi radot jaunas stratēģijas silīcija karbīda MOS tranzistoru veiktspējas optimizēšanai.

Augsta siltuma vadītspēja

Silīcija karbīds izceļas ar augstu siltumvadītspēju, tāpēc tas ir lielisks materiāls izmantošanai energoelektronikas ierīcēs. Turklāt tā stabilitāte padara to izturīgu pret termiskiem triecieniem, un zemā termiskā izplešanās padara to ķīmiski inertu - visas šīs īpašības ir būtiskas šādās ierīcēs. Ir pieejami dažādi politipi, no kuriem 4H silīcija karbīds ir vispopulārākais augstas jaudas un frekvences lietojumiem, kā arī to izmanto ugunsizturīgās keramikas ražotāji, pateicoties tā izcilajām mehāniskajām īpašībām.

Silīcija karbīda augstāko siltumvadītspēju nodrošina gan tā kristāliskā struktūra, gan defektu blīvums materiālā. 4H silīcija karbīds sastāv no sakrautiem Si C dubultslāņiem vai nu kubiskā (k), vai heksagonālā (h) izkārtojumā; turklāt kristāla lielumu var mainīt, izmantojot dažādus piemaisījumus, tādējādi veidojot dažādus defektus tā kristālos.

Oglekļa vakances ir dominējošais defekts 4H silīcija karbīdā, un tās ir atbildīgas par tā plašo joslas spraugu. Tāpēc, lai veiksmīgi izmantotu 4H silīcija karbīdu, ļoti svarīgi ir izprast to atomu un elektronisko struktūru. Tāpēc šajā pētījumā galvenā uzmanība tika pievērsta oglekļa vakanču defektu raksturošanai ar dažādām eksperimentālām metodēm.

Padziļināta izpratne par 4H silīcija karbīda piemaisījumiem un defektiem ir būtiska, lai pilnībā izmantotu tā potenciālu energoelektronikā un kvantu tehnoloģijās. Šajā rakstā autori sniedz atjauninātu informāciju par jaunākajiem eksperimentālajiem un teorētiskajiem sasniegumiem saistībā ar šajā materiālā konstatētajiem piemaisījumiem un defektiem.

Konkrēts politips konkrētai ierīcei ir atkarīgs no pusvadītāju nozares vajadzībām. Gan 4H SiC, gan 6H SiC ir lieliski materiāli, kas piemēroti daudzām pusvadītāju rūpniecības vajadzībām, tomēr tiem piemīt unikālas īpašības, kas tos atšķir. Iespējams, visnozīmīgākā atšķirība ir to kristāliskā struktūra - 4H SiC ir augstāka simetrija nekā 6H SiC, kas rada atšķirīgu defektu blīvumu un kristāla kvalitāti, kā arī augstāku siltumvadītspēju gar c asi nekā pamatplaknē.

Augsta stabilitāte

4H silīcija karbīda ievērojamā stabilitāte nodrošina izcilu mehānisko izturību un elastību, padarot to par ideālu materiālu, ko var izmantot tādiem progresīviem elektroniskiem un mehāniskiem lietojumiem kā enerģijas pusvadītājiem elektriskajiem transportlīdzekļiem (EV) un atjaunojamās enerģijas sistēmām, izturīgiem kosmosa komponentiem un ierīcēm, kā arī pusvadītāju enerģijas komponentiem, kam nepieciešama uzticama veiktspēja sarežģītos apstākļos.

Silīcija karbīds ir kovalents materiāls, kas sastāv no silīcija un oglekļa atomiem, kas sakārtoti sakārtotā tetraedriskā kristāla struktūrā. Tam ir dažādi politipi ar atšķirīgu atomu slāņu izvietojumu kristālrežģī - bieži sastopams heksagonāls a-siliīcija karbīds, bet kubiskam b-siliīcija karbīdam ir gan heksagonāla, gan tetragonāla struktūra.

Abiem politipu tipiem piemīt izcilas elektriskās un termiskās īpašības, tomēr to atomu izkārtojums būtiski atšķiras, radot katram no tiem unikālas fizikālās un ķīmiskās īpašības. Piemēram, heksagonālajam a-siliīcija karbīdam ir četri silīcija atomi, kas saistīti ar četriem oglekļa atomiem sešu divslāņu augstuma pakāpju struktūrā, kā attēlots turpmāk.

A-SiC katrs divslānis ir izvietots aptuveni 30 grādu leņķī no blakus esošajiem slāņiem, tādējādi veidojot struktūru ar ārkārtīgi lielu kovalentās saites garumu un augstu vadītspēju un pretestību. Turklāt tā plašā joslas sprauga ļauj ražot ātrus elektronus ātrai enerģijas pārvadei.

Slāpekļa kā sekla donora piemaisījuma dopinga piemaisījums uzlabo SiC substrātu elektrisko vadītspēju, aizpildot C režģa vietas. Tomēr, lai panāktu maksimālu vadītspēju, ir jāpanāk līdzsvars starp kristālisko stabilitāti un dopinga koncentrāciju - pārāk liela dopinga koncentrācija var izraisīt dubultus Šoklija sakopojuma defektus un radīt 3C SiC vairāku veidu iekļaušanas defektus, ja koncentrācija ir pārāk liela.

Nesen pētnieki atklāja, ka 0,5 masas procentu dopinga koncentrācija var efektīvi mazināt virsmas pakāpju augšanu un veicināt monokristālu struktūru veidošanos ar nepārtrauktiem c-as virzieniem, augšanas procesu laikā kontrolējot sēklas kristāla polaritāti un dopinga koncentrāciju. Turklāt ir pierādījies, ka ar cerija dopingu var arī veiksmīgi stabilizēt 4H SiC kristālu formas, nomācot daudzveidu iekļaušanas defektus.