Was ist Siliziumkarbid?

Wie der Name schon sagt, ist Siliziumkarbid ein wichtiges Halbleitermaterial der dritten Generation, eine Verbindung aus Si und C. Durch die Kombination dieser beiden Elemente entsteht eine robuste tetraedrische Struktur, die ihm zahlreiche Vorteile und breite Anwendungsperspektiven bietet, insbesondere in den Bereichen Leistungselektronik und neue Energien.

Natürlich besteht SiC-Material nicht aus einem einzigen Tetraeder aus einem Si-Atom und einem C-Atom, sondern aus unzähligen Si- und C-Atomen. Eine große Anzahl von Si- und C-Atomen bilden wellenförmige Doppelatomschichten (eine Schicht aus C-Atomen und eine Schicht aus Si-Atomen), und zahlreiche Doppelatomschichten stapeln sich zu SiC-Kristallen. Aufgrund periodischer Veränderungen, die während des Stapelprozesses von Si-C-Doppelatomschichten auftreten, gibt es derzeit mehr als 200 verschiedene Kristallstrukturen mit unterschiedlichen Anordnungen. Derzeit sind die in der Praxis am häufigsten verwendeten Kristallformen 3C-SiC, 4H-SiC und 6H-SiC.

Die Vorteile von Siliziumkarbidkristallen:

(1) Mechanische Eigenschaften

Siliziumkarbidkristalle haben eine extrem hohe Härte und gute Verschleißfestigkeit und sind nach Diamant der zweithärteste Kristall, der bisher gefunden wurde. Aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften wird pulverförmiges Siliziumkarbid häufig in der Schneid- oder Polierindustrie verwendet, und verschleißfeste Beschichtungen auf einigen Werkstücken verwenden ebenfalls Siliziumkarbidbeschichtungen – beispielsweise besteht die verschleißfeste Beschichtung auf dem Deck des Shandong-Kriegsschiffs aus Siliziumkarbid.

(2) Thermische Eigenschaften

Die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid ist dreimal so hoch wie die von herkömmlichem Halbleiter-Si und achtmal so hoch wie die von GaAs. Geräte aus Siliziumkarbid können erzeugte Wärme schnell ableiten, daher stellen Siliziumkarbid-Geräte relativ geringe Anforderungen an die Wärmeableitungsbedingungen und eignen sich besser für die Herstellung von Hochleistungsgeräten. Siliziumkarbid verfügt außerdem über stabile thermodynamische Eigenschaften: Unter Normaldruck zerfällt es bei hohen Temperaturen direkt in Si- und C-Dampf, ohne zu schmelzen.

(3) Chemische Eigenschaften

Siliziumkarbid verfügt über stabile chemische Eigenschaften und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Bei Raumtemperatur reagiert es mit keiner bekannten Säure. Wenn Siliziumkarbid über einen längeren Zeitraum an der Luft liegt, bildet sich langsam eine dichte, dünne SiO2-Schicht auf seiner Oberfläche, die weitere Oxidationsreaktionen verhindert.

(4) Elektrische Eigenschaften

Als repräsentatives Material für Halbleiter mit großer Bandlücke betragen die Bandlückenbreiten von 6H-SiC und 4H-SiC 3,0 eV bzw. 3,2 eV, was dem Dreifachen von Si und dem Zweifachen von GaAs entspricht. Halbleiterbauelemente aus Siliziumkarbid weisen einen geringeren Leckstrom und ein größeres elektrisches Durchbruchfeld auf, weshalb Siliziumkarbid als ideales Material für Hochleistungsbauelemente gilt. Die gesättigte Elektronenmobilität von Siliziumkarbid ist außerdem doppelt so hoch wie die von Si, was ihm offensichtliche Vorteile bei der Herstellung von Hochfrequenzgeräten verschafft.

(5) Optische Eigenschaften

Aufgrund seiner großen Bandlücke sind undotierte Siliziumkarbidkristalle farblos und transparent. Dotierte Siliziumkarbidkristalle weisen aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften unterschiedliche Farben auf. Beispielsweise erscheint nach der Dotierung mit N 6H-SiC grün, 4H-SiC braun und 15R-SiC gelb; Durch die Dotierung mit Al erscheint 4H-SiC blau. Die Beobachtung der Farbe zur Bestimmung des Polytyps ist eine intuitive Methode zur Unterscheidung von Siliziumkarbid-Polytypen.

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