Silisyum Karbür İzolatör

Silikon karbür (SiC), 19. yüzyıldan beri zımpara kağıdı, taşlama diskleri, kesici aletler ve hatta endüstriyel fırın astarları gibi çok çeşitli uygulamalarda kullanılan, silikon ve karbondan oluşan kristal bir bileşiktir. Ayrıca SiC, pompalarda ve roket motorlarında aşınmaya dayanıklı parçalar olarak da kullanılabilir.

SiC, kristal yapısına safsızlıklar eklenerek bu yapının nasıl değiştirildiğine bağlı olarak hem yalıtkan hem de yarı iletken olarak işlev görebilir; bu sürece “doping” denir.

Elektriksel İletkenlik

Silikon karbür, içindeki safsızlıkların veya katkılama maddelerinin nasıl eklendiğine bağlı olarak hem elektrik yalıtkanı hem de yarı iletken olarak işlev görmesini sağlayan özelliklere sahip bir seramik malzemedir. Silikon karbürün çok yönlü yapısı, onu birçok farklı uygulama alanında kullanılan paha biçilmez bir endüstriyel araç haline getirir.

Türbinler ve ısıtma sistemleri gibi yüksek sıcaklıklarda çalışması gereken enerji yoğun uygulamalar, bu malzemenin üstün ısı iletkenliğinden yararlanır. Ayrıca, fiziksel sağlamlığı ve sertliği sayesinde taşlama diskleri gibi kesici aletlerde kullanıma uygundur. Bunun yanı sıra, geniş bant aralığı sayesinde geleneksel silikon tabanlı cihazlara kıyasla daha yüksek gerilim ve frekansları kaldırabilir.

Bu buluş, sinterleme işlemleri kullanılarak üretilen ve entegre devreler için alt tabaka olarak kullanılan, son derece yüksek elektriksel dirence (yaklaşık 10⁸ ohm cm’ye kadar) sahip sinterlenmiş silikon karbür seramik malzemelerle ilgilidir.

Bu hedefi gerçekleştirmek için, mucitler, sinterlenmiş silikon karbür üretimi amacıyla 2.000 °C’ye yakın sıcaklıklarda, azot içeren gözeneksiz bir matris içinde eşit olarak dağılmış submikron boyutlu beta fazlı silikon karbür parçacıklarına sahip bir sinterlenmiş silikon karbür gövdesi üretmek üzere sıcak presleme işlemini kullandılar. Elde edilen malzeme, yüksek elektrik direncinin yanı sıra silikona benzer şekilde düşük bir doğrusal genleşme katsayısı sergilemiştir.

Basınçsız sinterleme yoluyla üretilen sinterlenmiş silikon karbür gövdelerin elektrik direnci, entegre devre substratları için gerekli olan değerlerin altındadır ve ısı iletkenlikleri, benzer tek kristal SiC malzemelerine kıyasla önemli ölçüde daha düşüktür.

Mucitler, önemli miktarda bor içeren sinterlenmiş silikon karbürün çok yüksek elektrik direncine sahip olduğunu keşfetmişlerdir. Taşıyıcı konsantrasyonu n ile özgül dielektrik sabiti es arasındaki bu ilişkiyi değerlendirmek için, sinterleme işleminden önce silikon karbür tozunun toz halindeki parçacık karışımlarına BeO ve Va ile Vb ailelerinden gelen, iyon değerliği +5 olan diğer elementel katkılar ekledikleri çeşitli deneysel numuneler üzerinde çalışmalar yaptılar.

Termal İletkenlik

Silikon Karbür (SiC), mevcut en sert malzemelerden biridir ve 400 GPa’nın üzerinde olağanüstü yüksek bir Young modülüne sahiptir; bu özelliği sayesinde aşırı basınç ve sıcaklıklara dayanabilir. SiC aynı zamanda en hafif ve en iyi yalıtım sağlayan seramik malzemelerden biridir; korozyona, aşınmaya, erozyona ve sürtünme kaynaklı yıpranmaya karşı dayanıklıdır; ayrıca elektrik yalıtım malzemesi olarak kullanıldığında mükemmel ısı iletkenliği ve düşük termal genleşme özelliklerine sahiptir.

Silikon karbür, kovalent bağlı bir kristaldir ve tek kristal hali nispeten yüksek bir ısı iletkenliğine sahiptir; ancak sinterlenmiş durumda bu değer, kristal tane sınırlarında meydana gelen fonon saçılımı nedeniyle düşer. Bu saçılım, her bir kristal tanesinin her iki tarafında, her sınırın her iki tarafında da taşıyıcı yoksunluk katmanları oluşturarak ısı akışını engeller.

Mevcut buluş, p-tipi yarı iletken malzemeyi SiC’den oluşan sinterlenmiş bir gövde ile birleştirerek, geliştirilmiş özelliklere sahip bir silikon karbür izolatörün oluşturulmasını kapsamaktadır. İzolatör, ana bileşeni olarak silikon karbür ve elektriksel yalıtım özellikleri sağlayan bir element (BN veya Be) içerir; bu element, sinterlenmiş durumda tane sınırının her iki tarafında taşıyıcı konsantrasyonunu 5×10¹⁷ cm⁻³ veya daha az bir değere yükseltir ve böylece yüksek elektriksel yalıtım özellikleri sağlar.

Silikon karbürün alüminyum, bor veya galyum ile doplanması, yarı iletkenlik özelliklerine sahip p-tipi yarı iletken malzemelerin oluşmasına yol açar. Bu p-tipi silikon karbür içeren yalıtkanlar, maksimum verimlilik sağlamak üzere düşük elektrik direnci ve yüksek ısı iletkenliği sergiler.

Mevcut buluş, direnç, püskürtme hedefi veya ince film direnç gibi yarı iletken elemanları desteklemek için kullanılabilen bir yalıtkanla ilgilidir. Bu yalıtkan, sadece mükemmel elektriksel ve termal özelliklere sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda son derece düşük bir dielektrik sabitine de sahiptir. Ayrıca, dar boyunlu üretim yapısı sayesinde, alt tabaka malzemesinin termal sınırlarını aşmadan yüksek akım yoğunluğu sağlanabilir.

Termal Genleşme Katsayısı

Silikon karbür (SiC), olağanüstü termal özelliklere sahip istisnai bir malzemedir. Düşük termal genleşme katsayısı ve yüksek sıcaklıklara maruz kaldığında çatlamaya karşı direnci sayesinde SiC, ısıyı etkili bir şekilde dağıtabilir; bu da yüksek termal verimlilik gerektiren uygulamalarda vazgeçilmez bir özelliktir. Ayrıca, SiC yüksek bir özgül ısı kapasitesine sahiptir; bu sayede genleşme sürecine girmeden önce büyük miktarda enerjiyi emebilir.

Silikon karbürün ısıl genleşmesi, sıcaklığına ve kristal yapısına bağlıdır; bu da malzemenin performansını ve dayanıklılığını etkileyebilir. Silikon karbür bileşenlerin olumsuz çevre koşullarında bile güvenilir bir şekilde çalışabilmesini sağlamak için, bu malzemenin sıcaklığa bağlı davranışını anlamamız hayati önem taşır.

Bileşim, silikon karbürün termal genleşmesi üzerinde de etkili olabilir; berilyum oksit (BeO), tane sınırlarında fononların saçılmasını bastırmaya yardımcı olur; bu da saf silikona kıyasla daha düşük termal genleşmeye ve yüksek mekanik gerilim altında çalışmaya kıyasla daha düşük termal genleşme katsayılarına (CTE) yol açar. Bu faktör, çalışma sırasında yoğun mekanik gerilime maruz kalan yüksek güçlü yarı iletken cihazlar için özellikle önemlidir.

Korozyona ve aşınmaya dayanıklı yapısı, bu malzemeyi kimya tesisleri ve sıcaklığın 1.400 santigrat dereceye ulaştığı fabrikalar için ideal olan mükemmel bir yapı malzemesi haline getirirken, 400 GPa’lık yüksek Young modülü de onu yüksek basınçlı fırınlar için uygun kılmaktadır.

Doğal moissanit, yalnızca belirli meteorit türlerinde ve korindon yataklarında eser miktarlarda bulunur; ancak mücevher olarak satılan veya metalleri güçlendirmek için kullanılan moissanitin çoğu, silikon karbonun buhar biriktirme yöntemi, silikon içeren polimer liflerin sinterlenmesi veya silikon içeren refrakter kaplamaların fırınlanması gibi yöntemler kullanılarak sentetik olarak üretilir.

İşlenebilirliğini ve çekme mukavemetini artırmak amacıyla, geleneksel SiC ürünlerine kıyasla daha az berilyum oksit içeren, daha az kırılgan, daha düşük termal genleşme katsayısına sahip, daha yüksek güçlü cihazlarda kullanılabilen ve saf silikon karbürden daha düşük üretim maliyetine sahip yeni bir SiC formülasyonu yakın zamanda geliştirilmiştir;

Dielektrik Sabiti

Silikon karbür, en sert ve en hafif seramik malzemelerden biridir; asitlere ve alkalilere karşı mükemmel korozyon direnci, mükemmel ısı iletkenliği ve düşük ısı genleşme katsayısı değerlerine sahiptir – bu özellikleri sayesinde erimiş metal fırınları veya kimya endüstrisi gibi yüksek sıcaklıklı ortamlarda kullanıma uygundur. Ayrıca, yüksek Young modülü (>400 GPa) sayesinde, diğer seramik malzemeleri tahrip edecek bükülme gerilmelerine karşı dayanıklılık sağlar.

Silikonun, sıcaklık ve elektrik alanı değişimlerini sınırlayan nispeten dar bir bant aralığı vardır; bu da güç elektroniği uygulamaları için gerekli avantajı sağlar. En yaygın olarak kullanılan yarı iletken olan silikon, bant aralığı genişliği ve kırılma geriliminin yetersizliği nedeniyle sınırlarına ulaşmaktadır; bu nedenle niyobyum, daha yüksek sıcaklıklarda ve elektrik alanlarında uygulandığında silikonu geride bırakabilecek başka bir olası seçenek sunmaktadır.

4H-SiC’nin tam potansiyelini en üst düzeye çıkarmak için, silikon karbür ve dielektrik malzemelerle olan arayüzündeki arayüz durumu yoğunluğunu azaltmak ve cihazların elektriksel özelliklerini iyileştirmek amacıyla, yüzeyine silan püskürtme hedefleri aracılığıyla yüksek-k dielektrikler uygulanmalıdır.

Çok sayıda çalışma, 4H-SiC yüzeyinde çalışabilen yüksek-k dielektriklerin geliştirilmesine odaklanmıştır. HfO₂ ve Y₂O₃, kırılma elektrik alanını artırarak elektriksel performansı iyileştirerek yararlarını kanıtlamışlardır; ancak yüksek arayüz durumları, bu malzemelerin cihazlarda tam olarak kullanılmasının önündeki bir engel olmaya devam etmektedir.

Stanford’daki araştırmacılar, fotokimyasal aşındırma ve kimyasal-mekanik parlatma yöntemlerini kullanarak yüksek kaliteli yonga ölçeğinde silikon karbür yalıtkan üretmek için bir yöntem geliştirdiler; ardından, yoğun şekilde katkılanmış bir fedakar tabaka üzerine daha az katkılanmış cihaz katmanları uyguladılar ve daha sonra fotokimyasal aşındırma ve kimyasal-mekanik parlatma yöntemlerini kullanarak bu fedakar tabakayı kaldırdılar, böylece SiC'yi ortaya çıkararak kuantum ve doğrusal olmayan fotonik uygulamalar için uygun yüksek kaliteli yalıtkanların üretilmesini mümkün kıldılar.

Bu heyecan verici gelişmelere rağmen, yüksek-k dielektriklerin 4H-SiC tabanlı ticari cihazlarda kullanılmaya başlanması için henüz çok erken. Bu nedenle, bu hedefe ulaşılana kadar SiC üzerinde metal-yalıtkan-yarıiletken cihazların üretilmesine yönelik başka yöntemlerin araştırılması gerekecektir.