Izolátor z karbidu kremíka

Karbid kremíka (SiC) je kryštalická zlúčenina kremíka a uhlíka, ktorá sa používa od 19. storočia v rôznych aplikáciách, ako sú brúsne papiere, brúsne kotúče, rezné nástroje a dokonca aj výmurovky priemyselných pecí. Okrem toho môže SiC slúžiť aj ako súčasti odolné proti opotrebovaniu v čerpadlách a raketových motoroch.

SiC sa môže správať ako izolant aj polovodič v závislosti od toho, ako bola zmenená kryštálová štruktúra pridaním prímesí do jeho kryštálovej štruktúry; tento proces je známy ako dopovanie.

Elektrická vodivosť

Karbid kremíka je keramický materiál s vlastnosťami, ktoré z neho robia elektrický izolant aj polovodič v závislosti od toho, ako sa do neho pridávajú prímesi alebo dopanty. Univerzálna povaha karbidu kremíka z neho robí neoceniteľný priemyselný nástroj používaný v mnohých rôznych oblastiach použitia.

Energeticky náročné aplikácie, ktoré musia pracovať pri vysokých teplotách, ako sú turbíny a vykurovacie systémy, využívajú jeho vynikajúcu tepelnú vodivosť. Okrem toho je vďaka svojej fyzikálnej odolnosti a tvrdosti vhodný na použitie v rezných nástrojoch, ako sú brúsne kotúče. Jeho široká pásmová medzera mu navyše umožňuje zvládať vyššie napätia a frekvencie ako tradičné zariadenia na báze kremíka.

Tento vynález sa týka spekaných keramických materiálov z karbidu kremíka s extrémne vysokým elektrickým odporom (až do približne 108 ohm cm), ktoré boli vyrobené pomocou spekania a použité ako substráty pre integrované obvody.

Na dosiahnutie tohto cieľa vynálezcovia použili proces lisovania za tepla na výrobu telesa spekaného karbidu kremíka so submikrónovými časticami karbidu kremíka fázy beta rovnomerne rozmiestnenými v neporéznej dusíkovej matrici pri teplotách blízkych 2 000 °C na výrobu spekaného karbidu kremíka. Výsledný materiál vykazoval vysoký elektrický odpor, ako aj nízky koeficient lineárnej rozťažnosti podobný kremíku.

Spekané telesá z karbidu kremíka vyrobené beztlakovým spekaním majú elektrické odpory nižšie ako sú potrebné pre substráty pre integrované obvody a výrazne nižšie tepelné vodivosti ako ich náprotivky, monokryštalické materiály SiC.

Vynálezcovia zistili, že spekaný karbid kremíka obsahujúci značné množstvo bóru má veľmi vysoký elektrický odpor. Na posúdenie tohto vzťahu medzi koncentráciou nosičov n a špecifickou dielektrickou konštantou es vykonali niekoľko experimentálnych vzoriek, v ktorých sa do zmesí práškových častíc karbidu kremíka pred spekaním pridával BeO a iné elementárne dopanty zo skupín Va a Vb s valenciou iónov +5.

Tepelná vodivosť

Karbid kremíka (SiC) je jedným z najtvrdších dostupných materiálov a vyznačuje sa mimoriadne vysokým Youngovým modulom viac ako 400 GPa, čo mu umožňuje odolávať extrémnym tlakom a teplotám. SiC patrí aj medzi najľahšie a najizolujúcejšie keramické materiály; je schopný odolávať korózii, eróznemu opotrebovaniu v dôsledku abrázie, ako aj opotrebovaniu v dôsledku trenia, pričom má vynikajúcu tepelnú vodivosť a nízku tepelnú rozťažnosť, keď sa používa ako elektroizolačný materiál.

Karbid kremíka je kryštál s kovalentnou väzbou a jeho monokryštál má relatívne veľkú tepelnú vodivosť, zatiaľ čo v spekanom stave toto číslo klesá v dôsledku rozptylu fonónov na hraniciach kryštálových zŕn, čím sa vytvárajú ochudobnené vrstvy nosičov v každom kryštálovom zrne na oboch stranách každej hranice, čo bráni tepelnému toku.

Súčasný vynález zahŕňa vytvorenie izolátora z karbidu kremíka so zlepšenými vlastnosťami kombináciou polovodičového materiálu typu p so spekaným telesom SiC. Izolátor obsahuje karbid kremíka ako svoju primárnu zložku a prvok poskytujúci elektroizolačné vlastnosti (BN alebo Be), ako je zvýšenie koncentrácie nosičov o 5 × 1017 cm-3 alebo menej na oboch stranách hranice zŕn v spekanom stave, čo poskytuje vysoké elektroizolačné vlastnosti.

Dopovanie karbidu kremíka hliníkom, bórom alebo gáliom vedie k vytvoreniu polovodičových materiálov typu p, ktoré majú polovodivé vlastnosti. Izolátory obsahujúce tento karbid kremíka p-typu majú nízky elektrický odpor a vysokú tepelnú vodivosť pre maximálny účinok.

Súčasný vynález zahŕňa izolátor, ktorý sa môže použiť na podporu polovodičových prvkov, ako je napríklad rezistor, rozprašovací terč alebo tenkovrstvový rezistor. Má nielen vynikajúce elektrické a tepelné vlastnosti, ale môže sa pochváliť aj extrémne nízkou hodnotou dielektrickej konštanty. Okrem toho jeho výroba s úzkym hrdlom umožňuje vysokú prúdovú hustotu bez prekročenia tepelných obmedzení materiálu substrátu.

Koeficient tepelnej rozťažnosti

Karbid kremíka (SiC) je výnimočný materiál s vynikajúcimi tepelnými vlastnosťami. Vďaka nízkemu koeficientu tepelnej rozťažnosti a odolnosti voči praskaniu pri vystavení vysokým teplotám dokáže SiC účinne odvádzať teplo, čo je základná vlastnosť pri aplikáciách vyžadujúcich vysokú tepelnú účinnosť. Okrem toho sa SiC môže pochváliť veľkou špecifickou tepelnou kapacitou, takže môže absorbovať obrovské množstvo energie predtým, ako začne proces expanzie.

Tepelná rozťažnosť karbidu kremíka závisí od jeho teploty a kryštálovej štruktúry, čo môže ovplyvniť jeho výkon a životnosť. Aby sme zabezpečili, že komponenty z karbidu kremíka budú spoľahlivo fungovať aj v nepriaznivých podmienkach prostredia, je nevyhnutné pochopiť jeho teplotnú závislosť.

Zloženie môže mať vplyv aj na tepelnú rozťažnosť karbidu kremíka; oxid berýlia (BeO) pomáha potláčať rozptyl fonónov na hraniciach zŕn, čo vedie k nižšej tepelnej rozťažnosti v porovnaní s čistým kremíkom a k nižším koeficientom tepelnej rozťažnosti (CTE) ako pri práci pod vysokým mechanickým namáhaním. Tento faktor je obzvlášť významný pre výkonné polovodičové zariadenia, ktoré sú počas prevádzky vystavené silnému mechanickému namáhaniu.

Vďaka odolnosti proti korózii a oderu je to vynikajúci stavebný materiál, ideálny pre chemické závody a mlyny s teplotami dosahujúcimi 1 400 °C, a vďaka vysokému Youngovmu modulu 400 GPa je vhodný pre pece s vysokými tlakmi.

Prírodný moissanit sa vyskytuje len v stopových množstvách v niektorých typoch meteoritov a v ložiskách korundu, ale väčšina moissanitu predávaného ako drahé kamene alebo používaného na spevňovanie kovov sa vyrába synteticky pomocou metód, ako je napríklad vylučovanie kremíkového uhlíka z pary, spekanie polymérnych vlákien obsahujúcich kremík alebo vypaľovanie žiaruvzdorných obkladov obsahujúcich kremík.

Na zlepšenie jeho obrobiteľnosti a pevnosti v ťahu bolo nedávno vytvorené nové zloženie SiC, ktoré obsahuje menej oxidu berýlia ako tradičné výrobky SiC; je menej krehké; má nižší koeficient tepelnej rozťažnosti; môže sa používať v zariadeniach s vyšším výkonom; jeho výroba je menej nákladná ako výroba čistého karbidu kremíka;

Dielektrická konštanta

Karbid kremíka je jedným z najtvrdších a najľahších keramických materiálov, ktorý sa vyznačuje vynikajúcou odolnosťou voči korózii, kyselinám a zásadám, vynikajúcou tepelnou vodivosťou a nízkymi hodnotami koeficientu tepelnej rozťažnosti - vlastnosti, ktoré ho predurčujú na použitie vo vysokoteplotných prostrediach, ako sú pece na roztavené kovy alebo chemický priemysel. Okrem toho jeho vysoký Youngov modul (> 400 GPa) pomáha odolávať namáhaniu v ohybe, ktoré by inak zničilo inú keramiku.

Kremík má relatívne úzku pásmovú medzeru, ktorá obmedzuje zmeny teploty a elektrického poľa, čo poskytuje výhodu potrebnú pre aplikácie výkonovej elektroniky. Kremík, najčastejšie používaný polovodič, dosahuje svoje limity kvôli nedostatočnej šírke pásma a prieraznému napätiu; niób preto ponúka ďalšiu možnú voľbu, ktorá by mohla prekonať kremík pri použití pri vyšších teplotách a elektrických poliach.

Aby sa maximalizoval plný potenciál 4H-SiC, musia sa na jeho povrch aplikovať dielektriká s vysokým obsahom k prostredníctvom silanových rozprašovacích terčov, aby sa znížila hustota rozhrania na jeho rozhraní s karbidom kremíka a dielektrickými materiálmi a zlepšili elektrické vlastnosti zariadení.

Viaceré štúdie sa zameriavajú na vývoj dielektrík s vysokým k, ktoré sú schopné pracovať na povrchu 4H-SiC. HfO2 a Y2O3 preukázali svoju hodnotu zlepšením elektrického výkonu zvýšením prierazného elektrického poľa, ale ich vysoký stav rozhrania zostáva prekážkou pre plné nasadenie v zariadeniach.

Stanfordskí výskumníci navrhli metódu na vytvorenie vysokokvalitného izolátora z karbidu kremíka v rozsahu waferov pomocou fotochemického leptania a chemicko-mechanického leštenia, potom pomocou menej dopovaných vrstiev zariadenia na silne dopovanej obetnej vrstve pred použitím fotochemického leptania a chemicko-mechanického leštenia na jej odstránenie pomocou fotochemického leptania a chemicko-mechanického leštenia, čím sa odhalí SiC a umožní sa vytvorenie vysokokvalitných izolátorov vhodných pre kvantové a nelineárne fotonické aplikácie.

Aj napriek tomuto zaujímavému vývoju je ešte príliš skoro na to, aby sa dielektriká s vysokým kivýkonom implementovali do komerčných zariadení na báze 4H-SiC. Preto bude potrebné preskúmať iné metódy výroby kovovo-izolátorovo-polovodičových zariadení na SiC, kým sa tento cieľ podarí dosiahnuť.