Carbeto de silício 4H vs. Carbeto de silício 6H

O 4H-SiC é um politeto de carbeto de silício cada vez mais popular. Devido ao seu amplo bandgap e excelentes propriedades térmicas, elétricas e mecânicas, é um material ideal para aplicações de eletrônica de potência.

Investigamos a deformação elástica e o comportamento de rachaduras de um espécime de pilar de cristal único de 4H-SiC com orientação [0001] realizando quatro vezes testes de tensão de compressão de carga/descarga com quatro ciclos de carga/descarga para testes de tensão de compressão.

Dureza

O carbeto de silício (comumente chamado de "carborundum" ou "joia da coroa") é o material mais duro que ocorre naturalmente na Terra. Composto por elementos de silício e carbono, o carbeto de silício ocorre naturalmente como gemas de moissanita na natureza; a produção em massa começou em 1893 para uso como abrasivo e ferramenta de corte - normalmente encontrado em pequenos grãos como abrasivo ou em grandes cristais individuais cortados em pedras preciosas - ou cortado diretamente de grandes cristais para uso como ferramenta de corte. Suas propriedades o tornam ideal para aplicações elétricas devido à sua durabilidade contra altas temperaturas e tensões, o que faz do carbeto de silício uma excelente opção de material para aplicações elétricas.

A resistência do 4H-SiC a altas tensões e temperaturas faz com que ele seja um material útil para a produção de dispositivos de radiofrequência (RF), como amplificadores de potência em estações rádio-base de celulares, bem como sensores para uso aeroespacial e automotivo. Além disso, sua excelente condutividade térmica proporciona uma dissipação eficiente do calor dos dispositivos eletrônicos.

A nanoindentação instrumentada pode ser um método útil para medir as propriedades mecânicas dos materiais 4H-SiC, inclusive a dureza e o módulo de elasticidade. Entretanto, sabe-se que sua geometria influencia os valores de dureza em condições de baixa carga, o que pode gerar leituras falsas com rachaduras graves observadas nos cantos das marcas de indentação resultantes.

Rigidez

A rigidez do carbeto de silício é uma de suas características marcantes, tornando-o um material inestimável tanto para aplicações de eletrônica de potência quanto para espelhos de telescópios. Além disso, ele resiste a altas temperaturas e campos elétricos sem perder sua integridade - qualidades ideais quando se considera a expansão térmica durante o uso em telescópios astronômicos.

O amplo bandgap do carbeto de silício o torna adequado para aplicações de alta tensão e frequência, mas a escolha do polítipo adequado para cada aplicação é fundamental; diferentes arranjos atômicos influenciam as propriedades físicas e elétricas dos materiais, sendo 4H e 6H duas opções populares entre os polítipos de carbeto de silício que possuem propriedades semelhantes, mas estruturas cristalinas e arranjos atômicos diferentes.

O arranjo atômico do 4H-SiC pode ter um impacto significativo no seu desempenho de deformação frágil. As configurações atômicas nos planos (12-10) e (0001) produzem propriedades diferentes, como dureza e módulo de elasticidade, que se manifestam por meio de curvas de carga versus profundidade de indentação; além disso, as indentações basais têm módulo de elasticidade mais alto do que as indentações prismáticas.

[0001] Os nanopilares de 4H-SiC monocristalinos orientados apresentam uma excelente oportunidade para a engenharia da mobilidade de elétrons e da estrutura de bandgap por meio de deformação nanomecânica, fornecendo os meios para desenvolver materiais com maior mobilidade de elétrons e dispositivos eletrônicos de baixa perda de energia, bem como uma plataforma para a criação de sistemas microeletromecânicos (MEMS) ou dispositivos flexíveis.

Condutividade térmica

O carbeto de silício é um material impressionante com propriedades mecânicas, elétricas e ópticas superiores. Altamente durável e resistente a choques térmicos, sua dureza e rigidez o tornam adequado para aplicações aeroespaciais e componentes mecânicos, com baixas taxas de expansão térmica e excelentes propriedades de condutividade térmica, o que o torna adequado também para eletrônicos de potência. Atualmente, o carbeto de silício é um componente integral de muitos dispositivos eletrônicos de última geração.

A estrutura cristalina do carbeto de silício determina suas propriedades e seu desempenho. Ele é fornecido em diferentes poliptipos, como 6H e 4H. Cada um deles difere em sua estrutura cristalina, constantes de rede, propriedades físicas e distribuição de intersticiais e vacâncias de carbono - por exemplo, a rapidez com que ocorrem as taxas de injeção de intersticiais em uma superfície oxidante, sua difusividade a partir daí em materiais de carbeto de silício em massa pode influenciar a recombinação de vacâncias dentro do carbeto de silício.

Os filmes de SiC com baixas concentrações de impurezas de boro apresentam altas condutividades térmicas isotrópicas, conhecidas como coeficientes de condutividade térmica. O 3C-SiC se destaca com coeficientes de condutividade térmica isotrópica superiores a 500 W m-1 K-1, perdendo apenas para o diamante de cristal único. Além disso, esse valor supera significativamente outros semicondutores de cristais grandes, como 4H-SiC e AlN, como materiais implantados por íons, mas é inferior ao 6H-SiC devido à falta de vacâncias de carbono em sua estrutura.

Condutividade elétrica

O carbeto de silício é um material semicondutor extremamente versátil, com muitas aplicações em diversos campos da eletrônica e além. Com sua condutividade térmica e características de banda larga, o carbeto de silício é uma excelente opção de material para dispositivos eletrônicos de alta potência e alta frequência, bem como para veículos elétricos e sistemas de energia renovável. Há vários poliptipos de carbeto de silício disponíveis, cada um com seus próprios pontos fortes e fracos; entender essas diferenças entre 4H-SiC e 6H-SiC pode ajudar os fabricantes a escolher o material ideal para projetos específicos.

A estrutura cristalina do carbeto de silício é fundamental para suas propriedades elétricas e térmicas. Composto por camadas duplas de átomos de carbono dispostas em uma sequência de empilhamento ABCB ou ABBA, seu cristal tem simetria e constantes de rede diferentes, dependendo da sequência de empilhamento utilizada; os cristais de SiC 4H apresentam formas hexagonais, enquanto os de SiC 6H exibem formas cúbicas.

Os íons H+ implantados no 4H-SiC podem deslocar e deslocar seus átomos de Si e C, criando defeitos pontuais que prendem os elétrons. A difração de raios X pode detectar esses defeitos pontuais que prendem os elétrons; a espectroscopia de fotoluminescência mede esses defeitos para caracterizar o processo de implantação de íons, enquanto as curvas de balanço medem a deformação causada por esse processo de implantação; embora sua resistência mecânica torne esse material altamente resiliente contra tensão e deformação, mesmo com relação ao 4H-SiC, ele ainda é suscetível à tensão e à deformação por ser afetado por influências externas.