Węglik krzemu (SiC) stał się kamieniem węgielnym dla energoelektroniki nowej generacji, systemów wysokotemperaturowych i urządzeń wysokiej częstotliwości. Tym, co czyni SiC wyjątkowym, jest to, że może krystalizować w wiele politypów – zidentyfikowano ponad 200 – mimo że wszystkie mają ten sam wzór chemiczny. Wśród nich4H-SiCI6H-SiCsą zdecydowanie najważniejsze z handlowego punktu widzenia.
Z zewnątrz wyglądają podobnie: oba są sześciokątnymi politypami o wysokiej przewodności cieplnej, silnych wiązaniach kowalencyjnych i szerokich przerwach wzbronionych. Jednak subtelne różnice w ułożeniu atomów nadają im odrębne zachowania elektroniczne i decydują o sposobie ich wykorzystania w urządzeniach półprzewodnikowych.
Artykuł ten zawiera jasne i oryginalne wyjaśnienie różnic w strukturze krystalicznej, właściwościach fizycznych i praktycznych zastosowaniach 4H-SiC i 6H-SiC.
SiC składa się z naprzemiennych warstw krzemu i węgla. Chociaż każda warstwa ma ten sam układ atomowy, ichkolejność układaniamoże się zmienić. Ta sekwencja układania generuje różne politypy.
Prostą analogią jest układanie identycznych kart do gry w różnych wzorach przesunięć. Karty się nie zmieniają, ale ogólny kształt tak.
W SiCu:
krótki powtarzający się wzór tworzy polityp podobny4H,
podczas gdy tworzy się dłuższy wzór6H.
Nawet tak małe zmiany strukturalne wystarczą, aby zmienić strukturę pasma, poziomy energii i ruchliwość nośnika.
Sekwencja układania powtarza się coczterywarstwy
Symetria kryształu jestsześciokątny
Stała sieci sieciowej osi C wynosi w przybliżeniu10,1 Å
Ponieważ sekwencja układania jest krótsza i bardziej jednolita, powstały kryształ wykazujemniejsza anizotropiai bardziej spójne właściwości elektroniczne w różnych kierunkach.
Sekwencja układania powtarza się cosześćwarstwy
Sześciokątna symetria kryształu
Stała sieci sieciowej osi C wynosi w przybliżeniu15,1 Å
Dłuższa odległość powtórzeń tworzy wiele nierównoważnych miejsc atomowych, czyniąc strukturę pasma bardziej złożoną i prowadząc do mobilności nośnej zależnej od kierunku.
| Nieruchomość | 4H-SiC | 6H-SiC |
|---|---|---|
| Pasmo wzbronione (np.) | ~3,26 eV | ~3,02 eV |
| Mobilność elektronów (cm²/V·s) | ~900 (równolegle do płaszczyzny c) | ~ 400–500 |
| Załamanie pola elektrycznego | ~3 MV/cm | Nieco niższy niż 4H-SiC |
| Prędkość nasycenia elektronów | Wyższy | Niżej |
4H-SiC oferuje:
wyższy pasmo wzbronione
wyższe pole podziału
szybszy transport elektronów
Te cechy sprawiają, że szczególnie nadaje się do urządzeń wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości.
6H-SiC, choć nadal jest materiałem o szerokiej przerwie energetycznej, wykazuje niższą ruchliwość ze względu na bardziej złożoną sekwencję układania.
Obydwa politypy mają te same silne kowalencyjne wiązania Si – C, co daje im:
wysoka przewodność cieplna
doskonała wytrzymałość mechaniczna
odporność na promieniowanie i korozję chemiczną
Wartości przewodności cieplnej są podobne:
4H-SiC ≈ 4,9 W/cm·K
6H-SiC ≈ 4,7 W/cm·K
Różnice są zbyt małe, aby znacząco wpłynąć na wybór urządzenia.
4H-SiC dominuje w:
MOSFETy
Diody Schottky’ego
Moduły mocy
Przełączniki wysokiego napięcia
Przetworniki wysokiej częstotliwości
Jego doskonała mobilność elektronów i pole przebicia bezpośrednio poprawiają wydajność urządzenia, szybkość przełączania i odporność termiczną. Dlatego prawie wszystkie nowoczesne urządzenia zasilające SiC oparte są na 4H-SiC.
6H-SiC stosuje się w:
Urządzenia mikrofalowe
Optoelektronika
Podłoża do epitaksji GaN
Fotodetektory UV
Specjalistyczne zastosowania badawcze
Ponieważ jego właściwości elektroniczne zmieniają się w zależności od kierunku kryształu, czasami umożliwia zachowanie materiału nieosiągalne w przypadku 4H-SiC.
Jeśli celem jest:
wyższe napięcie
wyższa wydajność
wyższa częstotliwość przełączania
mniejsze straty przewodzenia
Następnie4H-SiCjest oczywistym wyborem.
Jeżeli wniosek obejmuje:
eksperymentalne badania materiałów
niszowe zachowanie RF
kompatybilność starszych urządzeń
Następnie6H-SiCpozostaje użyteczny.
Chociaż 4H-SiC i 6H-SiC mają ten sam skład pierwiastkowy, ich różne sekwencje układania tworzą odrębne krajobrazy elektroniczne. W przypadku nowoczesnej elektroniki mocy,4H-SiC zapewnia doskonałą wydajnośći stał się dominującym typem w branży. Tymczasem 6H-SiC nadal odgrywa ważną rolę w wyspecjalizowanych dziedzinach optoelektroniki i RF.
Zrozumienie tych różnic strukturalnych i elektronicznych pomaga inżynierom wybrać najbardziej odpowiedni materiał na urządzenia półprzewodnikowe nowej generacji.
Węglik krzemu (SiC) stał się kamieniem węgielnym dla energoelektroniki nowej generacji, systemów wysokotemperaturowych i urządzeń wysokiej częstotliwości. Tym, co czyni SiC wyjątkowym, jest to, że może krystalizować w wiele politypów – zidentyfikowano ponad 200 – mimo że wszystkie mają ten sam wzór chemiczny. Wśród nich4H-SiCI6H-SiCsą zdecydowanie najważniejsze z handlowego punktu widzenia.
Z zewnątrz wyglądają podobnie: oba są sześciokątnymi politypami o wysokiej przewodności cieplnej, silnych wiązaniach kowalencyjnych i szerokich przerwach wzbronionych. Jednak subtelne różnice w ułożeniu atomów nadają im odrębne zachowania elektroniczne i decydują o sposobie ich wykorzystania w urządzeniach półprzewodnikowych.
Artykuł ten zawiera jasne i oryginalne wyjaśnienie różnic w strukturze krystalicznej, właściwościach fizycznych i praktycznych zastosowaniach 4H-SiC i 6H-SiC.
SiC składa się z naprzemiennych warstw krzemu i węgla. Chociaż każda warstwa ma ten sam układ atomowy, ichkolejność układaniamoże się zmienić. Ta sekwencja układania generuje różne politypy.
Prostą analogią jest układanie identycznych kart do gry w różnych wzorach przesunięć. Karty się nie zmieniają, ale ogólny kształt tak.
W SiCu:
krótki powtarzający się wzór tworzy polityp podobny4H,
podczas gdy tworzy się dłuższy wzór6H.
Nawet tak małe zmiany strukturalne wystarczą, aby zmienić strukturę pasma, poziomy energii i ruchliwość nośnika.
Sekwencja układania powtarza się coczterywarstwy
Symetria kryształu jestsześciokątny
Stała sieci sieciowej osi C wynosi w przybliżeniu10,1 Å
Ponieważ sekwencja układania jest krótsza i bardziej jednolita, powstały kryształ wykazujemniejsza anizotropiai bardziej spójne właściwości elektroniczne w różnych kierunkach.
Sekwencja układania powtarza się cosześćwarstwy
Sześciokątna symetria kryształu
Stała sieci sieciowej osi C wynosi w przybliżeniu15,1 Å
Dłuższa odległość powtórzeń tworzy wiele nierównoważnych miejsc atomowych, czyniąc strukturę pasma bardziej złożoną i prowadząc do mobilności nośnej zależnej od kierunku.
| Nieruchomość | 4H-SiC | 6H-SiC |
|---|---|---|
| Pasmo wzbronione (np.) | ~3,26 eV | ~3,02 eV |
| Mobilność elektronów (cm²/V·s) | ~900 (równolegle do płaszczyzny c) | ~ 400–500 |
| Załamanie pola elektrycznego | ~3 MV/cm | Nieco niższy niż 4H-SiC |
| Prędkość nasycenia elektronów | Wyższy | Niżej |
4H-SiC oferuje:
wyższy pasmo wzbronione
wyższe pole podziału
szybszy transport elektronów
Te cechy sprawiają, że szczególnie nadaje się do urządzeń wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości.
6H-SiC, choć nadal jest materiałem o szerokiej przerwie energetycznej, wykazuje niższą ruchliwość ze względu na bardziej złożoną sekwencję układania.
Obydwa politypy mają te same silne kowalencyjne wiązania Si – C, co daje im:
wysoka przewodność cieplna
doskonała wytrzymałość mechaniczna
odporność na promieniowanie i korozję chemiczną
Wartości przewodności cieplnej są podobne:
4H-SiC ≈ 4,9 W/cm·K
6H-SiC ≈ 4,7 W/cm·K
Różnice są zbyt małe, aby znacząco wpłynąć na wybór urządzenia.
4H-SiC dominuje w:
MOSFETy
Diody Schottky’ego
Moduły mocy
Przełączniki wysokiego napięcia
Przetworniki wysokiej częstotliwości
Jego doskonała mobilność elektronów i pole przebicia bezpośrednio poprawiają wydajność urządzenia, szybkość przełączania i odporność termiczną. Dlatego prawie wszystkie nowoczesne urządzenia zasilające SiC oparte są na 4H-SiC.
6H-SiC stosuje się w:
Urządzenia mikrofalowe
Optoelektronika
Podłoża do epitaksji GaN
Fotodetektory UV
Specjalistyczne zastosowania badawcze
Ponieważ jego właściwości elektroniczne zmieniają się w zależności od kierunku kryształu, czasami umożliwia zachowanie materiału nieosiągalne w przypadku 4H-SiC.
Jeśli celem jest:
wyższe napięcie
wyższa wydajność
wyższa częstotliwość przełączania
mniejsze straty przewodzenia
Następnie4H-SiCjest oczywistym wyborem.
Jeżeli wniosek obejmuje:
eksperymentalne badania materiałów
niszowe zachowanie RF
kompatybilność starszych urządzeń
Następnie6H-SiCpozostaje użyteczny.
Chociaż 4H-SiC i 6H-SiC mają ten sam skład pierwiastkowy, ich różne sekwencje układania tworzą odrębne krajobrazy elektroniczne. W przypadku nowoczesnej elektroniki mocy,4H-SiC zapewnia doskonałą wydajnośći stał się dominującym typem w branży. Tymczasem 6H-SiC nadal odgrywa ważną rolę w wyspecjalizowanych dziedzinach optoelektroniki i RF.
Zrozumienie tych różnic strukturalnych i elektronicznych pomaga inżynierom wybrać najbardziej odpowiedni materiał na urządzenia półprzewodnikowe nowej generacji.
