4H Silicon Carbide – High-Power and High-Frequency Applications

Karbid kremíka má mnoho aplikácií vo výkonnej elektronike a kvantových technológiách. Je známy nielen pre svoje vynikajúce elektrické vlastnosti, ale aj pre vysokú tepelnú vodivosť a chemickú stabilitu.

Wurtzitová kryštálová štruktúra sa vyznačuje nepravidelným hexagonálnym tesným usporiadaním zloženým z dvojvrstiev Si C, ktoré sa ukladajú v postupnosti ABCB.

Široké pásmové rozpätie

Karbid kremíka (4h SiC) vyniká ako výnimočný polovodičový materiál vďaka svojmu širokému pásmovému rozhraniu, ktoré prekonáva väčšinu bežných elektronických materiálov, ako je kremík (Si). Veľká pásmová medzera SiC mu umožňuje fungovať pri vyšších teplotách a napätiach ako mnohé jeho náprotivky - čo je výhoda výhodná najmä v aplikáciách vyžadujúcich vysoký výkon, ako je automobilová elektronika, alebo na účinný odvod tepla, napríklad v leteckom priemysle.

Veľký pásový odstup SiC umožňuje odolávať vysokým prierazným elektrickým poliam, vďaka čomu je ideálny pre výkonovú elektroniku, ako sú spínače, tyristory a MOSFETy. Okrem toho jeho nízka vnútorná koncentrácia nosičov a silná odolnosť voči oxidácii mu pomáhajú odolávať náročným podmienkam prostredia vrátane vysokých teplôt a mechanického opotrebovania.

4h Veľká medzera v pásme SiC je porovnateľná s 1,5eV medzerou v pásme kremíka, čo mu umožňuje vyznačovať sa oveľa nižším odporom v stave zapnutia a pohyblivosťou elektrónov v porovnaní s alternatívami na báze kremíka, vďaka čomu je SiC vynikajúcim kandidátom na výrobu výkonových elektronických zariadení s nižšími nákladmi ako kremíkové alternatívy. Vysoká mobilita nosičov tohto materiálu tiež znamená, že ho možno použiť na vývoj účinnejších zariadení výkonovej elektroniky pri výrazne nižších výrobných nákladoch ako pri kremíkových alternatívach.

4h Veľký pásový odstup SiC ho robí atraktívnejším ako iné polovodičové materiály, napríklad GaN, na pestovanie zložených polovodičov, ktoré môžu ďalej zlepšiť jeho elektrické vlastnosti, napríklad emitory. Okrem toho vynikajúca tepelná vodivosť 4h SiC umožňuje efektívnejšie rozptyľovať teplo ako iné polovodiče a lepšie funguje v náročných podmienkach, kde by teplotné výkyvy mohli poškodiť iné polovodiče.

SiC je dobre známy svojimi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami, avšak vedecké poznatky o jeho pozoruhodných elektrických prenosových vlastnostiach sa stále skúmajú. Patria sem otázky týkajúce sa štiepenia kryštálového poľa - ktoré určuje oddelenie pásov lh a hh vo vzorke - pri jednoosovom namáhaní, ako aj to, ako premietanie orbitálov C-p do štruktúry valenčného pásu ovplyvňuje pohyblivosť dier.

Ďalej boli pozorované plne reverzibilné elastické deformácie až do 6,2% v monokryštalických [0001]-orientovaných kryštáloch 4h SiC, čo poskytuje možnosť deformačnej modulácie jeho elektrických vlastností prostredníctvom zmeny usporiadania vrcholu valenčného pásu skôr prostredníctvom kompresného napätia než deformáciou samotných orbitálov.

Vysoká mobilita nosičov

Karbid kremíka 4h má výnimočnú pohyblivosť nosičov, vďaka ktorej je vhodný pre polovodičové aplikácie, ktoré si vyžadujú veľké toky prúdu, vrátane elektronických zariadení, ktoré pracujú pri vysokých napätiach a frekvenciách, ako sú výkonové spínače v elektrických vozidlách (EV) alebo konvertoroch obnoviteľnej energie. Okrem toho jeho tepelná vodivosť pomáha zabezpečiť účinný odvod tepla v týchto zariadeniach.

Kryštálovú štruktúru karbidu kremíka možno rozdeliť na dva polytypy, 6H a 4H. Každý polytyp sa líši z hľadiska symetrie, mriežkovej konštanty a usporiadania atómov, čo má vplyv na ich vlastnosti a výkon. SiC 4H vyniká vyššou tepelnou vodivosťou ako SiC 6H, pričom stále ponúka skvelé elektrické a mechanické vlastnosti - výnimočná kombinácia, vďaka ktorej sa SiC 4H stal základným materiálom v mnohých polovodičových zariadeniach.

Na presné predpovedanie elektrických a optických vlastností karbidu kremíka je potrebné komplexné pochopenie jeho fyzikálnej štruktúry. To si vyžaduje pochopenie interakcie atómových väzieb s optickými pásmovými štruktúrami, ktoré ovplyvňujú jeho elektronické vlastnosti.

Výskumníci vykonali výpočty na úrovni prvých princípov s cieľom získať lepší prehľad o tom, čo obmedzuje mobilitu nosičov v karbide kremíka 4H, a to pomocou výpočtov na úrovni prvých princípov. Ich výpočty odhalili, že nízka pohyblivosť dier je spôsobená najmä veľkými efektívnymi hmotnosťami ťažkých a ľahkých dier v blízkosti maxima valenčného pásma (VBM), ako aj silným medzipásmovým rozptylom elektrónov a fonónov sprostredkovaným akustickými fonónmi s nízkou energiou.

Ďalším faktorom, ktorý obmedzuje pohyblivosť dier v 4H SiC, je spinovo-orbitálna väzba. Tento efekt má nepriaznivý vplyv na valenčné pásy v blízkosti VBM, ale relatívne minimálny vplyv na vodivé pásy. Na riešenie tohto obmedzenia výskumníci navrhli techniky na modifikáciu atómovej väzby v 4H SiC s cieľom znížiť spinovo-orbitálnu väzbu, a tým zvýšiť pohyblivosť dier.

Ukázalo sa, že tieto modifikácie výrazne zvyšujú mobilitu dier v rovine aj mimo roviny 4H SiC, ako aj jeho izolačné vlastnosti, čo vedie k novým stratégiám optimalizácie výkonu tranzistorov MOS z karbidu kremíka.

Vysoká tepelná vodivosť

Karbid kremíka sa vyznačuje vysokou tepelnou vodivosťou, čo z neho robí vynikajúci materiál na použitie v zariadeniach výkonovej elektroniky. Okrem toho je vďaka svojej stabilite odolný voči tepelným šokom a vďaka nízkej tepelnej rozťažnosti je chemicky inertný - všetky tieto vlastnosti sú v takýchto zariadeniach nevyhnutné. K dispozícii sú rôzne polytypy, pričom karbid kremíka 4H je najobľúbenejší pre aplikácie s vysokým výkonom a frekvenciou a vďaka svojim vynikajúcim mechanickým vlastnostiam ho využívajú aj výrobcovia žiaruvzdornej keramiky.

Vynikajúca tepelná vodivosť karbidu kremíka je spôsobená jeho kryštálovou štruktúrou a hustotou defektov v materiáli. Karbid kremíka 4H pozostáva z dvojvrstvového usporiadania Si C v kubickom (k) alebo hexagonálnom (h) usporiadaní; okrem toho sa veľkosť kryštálov môže meniť dopovaním rôznymi prímesami, čo vedie k rôznym formám defektov v jeho kryštáloch.

Uhlíkové vakancie sú dominantným defektom v karbide kremíka 4H a sú zodpovedné za jeho širokú pásmovú medzeru. Preto je pochopenie ich atómovej a elektronickej štruktúry mimoriadne dôležité pre úspešné využitie karbidu kremíka 4H. Preto sa táto štúdia zamerala na charakterizáciu jeho uhlíkových vakancií pomocou rôznych experimentálnych techník.

Hlboké pochopenie nečistôt a defektov prítomných v karbide kremíka 4H má zásadný význam pre využitie jeho plného potenciálu vo výkonovej elektronike a kvantových technológiách. Autori v tomto dokumente poskytujú aktualizované informácie o najnovších experimentálnych a teoretických pokrokoch týkajúcich sa nečistôt a defektov v tomto materiáli.

Konkrétny polytyp pre konkrétne zariadenie závisí od potrieb polovodičového priemyslu. SiC 4H aj SiC 6H sú vynikajúce materiály vhodné pre mnohé potreby polovodičového priemyslu, majú však jedinečné vlastnosti, ktoré ich odlišujú. Azda najvýraznejším rozdielom medzi nimi je ich kryštálová štruktúra - 4H SiC má vyššiu symetriu ako 6H SiC, čo vedie k rozdielnej hustote defektov a kvalite kryštálov, ako aj k vyššej tepelnej vodivosti pozdĺž osi c ako v základnej rovine.

Vysoká stabilita

Pozoruhodná stabilita karbidu kremíka 4H vedie k vynikajúcej mechanickej pevnosti a odolnosti, čo z neho robí ideálny materiál pre špičkové elektronické a mechanické aplikácie, ako sú výkonové polovodiče pre elektrické vozidlá a systémy obnoviteľných zdrojov energie, odolné letecké komponenty a zariadenia a polovodičové výkonové komponenty vyžadujúce spoľahlivý výkon v náročných podmienkach.

Karbid kremíka je kovalentný materiál zložený z atómov kremíka a uhlíka usporiadaných do usporiadanej tetraedrickej kryštálovej štruktúry. Vyskytuje sa v rôznych polytypoch s rôznym usporiadaním atómových vrstiev v kryštálovej mriežke - často sa vyskytuje hexagonálny karbid kremíka a, zatiaľ čo kubický karbid kremíka b má hexagonálnu aj tetragonálnu štruktúru.

Oba polytypy sa vyznačujú vynikajúcimi elektrickými a tepelnými vlastnosťami; ich príslušné atómové usporiadanie sa však výrazne líši, čo vytvára jedinečné fyzikálne a chemické vlastnosti každého z nich. Napríklad hexagonálny a-karbid kremíka má štyri atómy kremíka viazané so štyrmi atómami uhlíka v šesťstupňovej dvojvrstvovej štruktúre, ako je znázornené nižšie.

V a-SiC je každá dvojvrstva usporiadaná pod uhlom približne 30 stupňov od susedných vrstiev, čo vytvára štruktúru s extrémne dlhou kovalentnou väzbou a vysokou vodivosťou a odolnosťou. Okrem toho jej široká pásmová medzera umožňuje produkovať vysokorýchlostné elektróny na rýchly prenos energie.

Dopovanie dusíkom ako plytkou donorovou prímesou zvyšuje elektrickú vodivosť substrátov SiC vyplnením mriežkových miest C. Na dosiahnutie maximálnej vodivosti sa však musí dosiahnuť rovnováha medzi kryštálovou stabilitou a koncentráciou dopovania - príliš veľké dopovanie môže vyvolať dvojité Shockleyho stohovacie poruchy a v prípade príliš vysokej koncentrácie môže viesť k vzniku inklúznych defektov 3C SiC viacerých typov.

Výskumníci nedávno zistili, že koncentrácia dopingu 0,5 hmotnostného percenta môže účinne zmierniť rast povrchových stupňov a podporiť tvorbu monokryštálových štruktúr so súvislými smermi osi c, a to riadením polarity kryštálu semienka a koncentrácie dopingu počas procesov rastu. Okrem toho sa dopovanie cérom osvedčilo aj pri stabilizácii 4H kryštálových foriem SiC potlačením viacnásobných inkluzívnych defektov.