Карбид кремния 4H - высокомощные и высокочастотные применения

Карбид кремния находит широкое применение в мощной электронике и квантовых технологиях. Он известен не только своими превосходными электрическими свойствами, но и высокой теплопроводностью и химической стабильностью.

Кристаллическая структура вюрцита представляет собой неправильную гексагональную структуру с тесной упаковкой, состоящую из двойных слоев Si C, которые укладываются в последовательности ABCB.

Широкая полоса пропускания

Карбид кремния (4h SiC) является исключительным полупроводниковым материалом благодаря широкой полосе пропускания, превосходящей по своим характеристикам большинство распространенных электронных материалов, таких как кремний (Si). Большая полоса пропускания SiC позволяет ему работать при более высоких температурах и напряжениях, чем многие его аналоги - преимущество, особенно полезное в приложениях, требующих высокой производительности, таких как автомобильная электроника, или для эффективного рассеивания тепла, например, в аэрокосмической отрасли.

Благодаря большой полосе пропускания SiC способен выдерживать высокие пробивные электрические поля, что делает его идеальным для силовой электроники, такой как переключатели, тиристоры и МОП-транзисторы. Кроме того, низкая собственная концентрация носителей и высокая устойчивость к окислению помогают ему выдерживать сложные условия окружающей среды, включая высокие температуры и механический износ.

Большая полоса пропускания SiC выгодно отличается от зазора кремния в 1,5 эВ, что позволяет ему иметь гораздо более низкое сопротивление в состоянии покоя и подвижность электронов по сравнению с кремниевыми альтернативами, что делает SiC отличным кандидатом для производства силовых электронных устройств по более низкой цене, чем кремниевые альтернативы. Высокая подвижность носителей в этом материале также означает, что его можно использовать для разработки более эффективных силовых электронных устройств при значительно меньших затратах на производство, чем у кремниевых альтернатив.

Большая полоса пропускания 4h SiC делает его более привлекательным по сравнению с другими полупроводниковыми материалами, такими как GaN, для выращивания составных полупроводников, которые могут еще больше улучшить его электрические свойства, например, эмиттеров. Кроме того, превосходная теплопроводность 4h SiC позволяет ему эффективнее других полупроводников рассеивать тепло и лучше работать в жестких условиях, где перепады температуры могут повредить другие полупроводники.

SiC хорошо известен своими физическими и химическими свойствами, однако наука, лежащая в основе его замечательных электротранспортных свойств, все еще изучается. К ним относятся вопросы, связанные с расщеплением кристаллического поля - которое определяет разделение между lh и hh полосами в образце - при одноосной деформации, а также с тем, как проекция C-p орбиталей на структуру валентной полосы влияет на подвижность дырок.

Кроме того, в монокристаллах [0001]-ориентированного 4h SiC наблюдались полностью обратимые упругие деформации до 6,2%, что дает возможность деформационной модуляции его электрических свойств путем изменения упорядочения вершины валентной полосы за счет сжимающего напряжения, а не деформации самих орбиталей.

Высокая мобильность носителя

Карбид кремния 4h обладает исключительной подвижностью носителей, что делает его пригодным для применения в полупроводниковых приборах, требующих больших токов, включая электронные устройства, работающие при высоких напряжениях и частотах, такие как силовые переключатели в электромобилях (EV) или преобразователи возобновляемой энергии. Кроме того, его теплопроводность помогает обеспечить эффективный отвод тепла в таких устройствах.

Кристаллическую структуру карбида кремния можно разделить на два политипа - 6H и 4H. Каждый политип отличается по симметрии, постоянной решетки и расположению атомов, что оказывает влияние на их свойства и характеристики. SiC 4H отличается более высокой теплопроводностью, чем SiC 6H, и при этом обладает отличными электрическими и механическими свойствами - исключительное сочетание, которое сделало SiC 4H незаменимым материалом во многих полупроводниковых устройствах.

Для точного предсказания электрических и оптических свойств карбида кремния необходимо всестороннее понимание его физической структуры. Это требует понимания того, как атомные связи взаимодействуют со структурами оптических полос, которые влияют на его электронные свойства.

Исследователи провели расчеты на уровне первых принципов, чтобы лучше понять, что ограничивает подвижность носителей в карбиде кремния 4H, используя расчеты на уровне первых принципов. Расчеты показали, что низкая подвижность дырок обусловлена, главным образом, большими эффективными массами тяжелых и легких дырок вблизи максимума валентной полосы (VBM), а также сильным межзонным электрон-фононным рассеянием, опосредованным акустическими фононами низкой энергии.

Другим фактором, ограничивающим подвижность дырок в 4H SiC, является спин-орбитальное взаимодействие. Этот эффект оказывает негативное влияние на валентные полосы вблизи VBM, но относительно минимальное влияние на полосы проводимости. Чтобы устранить это ограничение, исследователи разработали методы модификации атомной связи в 4H SiC для снижения спин-орбитальной связи и, таким образом, увеличения подвижности дырок.

Эти модификации значительно улучшают как внутриплоскостную, так и внеплоскостную подвижность дырок в 4H SiC, а также его изоляционные свойства, что позволяет разработать новые стратегии для оптимизации работы МОП-транзисторов из карбида кремния.

Высокая теплопроводность

Карбид кремния обладает высокой теплопроводностью, что делает его отличным материалом для использования в силовых электронных устройствах. Кроме того, его стабильность делает его устойчивым к тепловым ударам, а низкое тепловое расширение делает его химически инертным - все характеристики, необходимые для таких устройств. Существуют различные типы полимеров, при этом карбид кремния 4H наиболее популярен для применения в устройствах высокой мощности и частоты, а также используется производителями огнеупорной керамики благодаря своим выдающимся механическим свойствам.

Превосходная теплопроводность карбида кремния обусловлена как его кристаллической структурой, так и плотностью дефектов в материале. Карбид кремния 4H состоит из укладки двойных слоев Si C в кубической (k) или гексагональной (h) форме; кроме того, размер кристаллов может быть изменен путем легирования различными примесями, что приводит к появлению различных форм дефектов в кристаллах.

Углеродные вакансии являются доминирующим дефектом в карбиде кремния 4H и ответственны за его широкую полосу пропускания. Поэтому понимание их атомной и электронной структуры имеет огромное значение для успешного использования карбида кремния 4H. Поэтому данное исследование было посвящено описанию дефектов в виде углеродных вакансий с помощью различных экспериментальных методик.

Глубокое понимание примесей и дефектов, присутствующих в карбиде кремния 4H, имеет решающее значение для реализации его полного потенциала в силовой электронике и квантовых технологиях. Здесь авторы представляют обновленную информацию о последних экспериментальных и теоретических достижениях, связанных с примесями и дефектами, обнаруженными в этом материале.

Выбор конкретного политипа для конкретного устройства зависит от потребностей полупроводниковой промышленности. И 4H SiC, и 6H SiC - превосходные материалы, подходящие для многих нужд полупроводниковой промышленности, но при этом обладающие уникальными характеристиками, которые их отличают. Возможно, наиболее заметным отличием между ними является их кристаллическая структура - 4H SiC обладает более высокой симметрией, чем 6H SiC, что приводит к разной плотности дефектов и качеству кристалла, а также к более высокой теплопроводности вдоль оси c, чем в базальной плоскости.

Высокая стабильность

Удивительная стабильность карбида кремния 4H обеспечивает превосходную механическую прочность и упругость, что делает его идеальным выбором материала для самых современных электронных и механических приложений, таких как силовые полупроводники для электромобилей (EV) и систем возобновляемой энергии, прочные аэрокосмические компоненты и устройства, а также полупроводниковые силовые компоненты, требующие надежной работы в сложных условиях.

Карбид кремния - это ковалентный материал, состоящий из атомов кремния и углерода, расположенных в упорядоченной тетраэдрической кристаллической структуре. Он бывает разных типов с различным расположением атомных слоев в кристаллической решетке - часто встречается гексагональный a-карбид кремния, а кубический b-карбид кремния имеет как гексагональную, так и тетрагональную структуру.

Оба типа полимеров обладают превосходными электрическими и тепловыми свойствами, однако их атомное строение существенно отличается, что создает уникальные физико-химические характеристики каждого из них. Например, гексагональный карбид кремния a имеет четыре атома кремния, соединенных с четырьмя атомами углерода в ступенчатую структуру высотой в шесть слоев, как показано ниже.

В a-SiC каждый бислой расположен под углом примерно 30 градусов по отношению к соседним слоям, что создает структуру с чрезвычайно большой длиной ковалентных связей и высокой проводимостью и сопротивлением. Кроме того, широкая полоса пропускания позволяет создавать высокоскоростные электроны для быстрой передачи энергии.

Являясь мелкой донорной примесью, легирование азотом повышает электропроводность SiC-подложек за счет заполнения участков решетки C. Однако для достижения максимальной проводимости необходимо соблюдать баланс между стабильностью кристалла и концентрацией легирующей примеси - слишком большое количество легирующей примеси может вызвать двойные дефекты укладки Шокли и привести к образованию дефектов включения 3C SiC нескольких типов при слишком высокой концентрации.

Недавно исследователи обнаружили, что концентрация легирования в 0,5 весовых процента может эффективно смягчать рост поверхностных ступеней и способствовать формированию монокристаллических структур с непрерывным направлением оси c, контролируя полярность затравочного кристалла и концентрацию легирования в процессе роста. Кроме того, легирование церием успешно стабилизирует кристаллические формы 4H SiC, подавляя многотипные дефекты включения.