Unterschiede zwischen SiC-Kristallen mit unterschiedlichen Strukturen

Siliziumkarbid (SiC)ist ein Material mit außergewöhnlicher thermischer, physikalischer und chemischer Stabilität und weist Eigenschaften auf, die über die herkömmlicher Materialien hinausgehen. Seine Wärmeleitfähigkeit beträgt erstaunliche 84 W/(m·K) und ist damit nicht nur höher als die von Kupfer, sondern auch dreimal so hoch wie die von Silizium. Dies zeigt sein enormes Potenzial für den Einsatz in Wärmemanagementanwendungen. Die Bandlücke von SiC ist etwa dreimal so groß wie die von Silizium, und die elektrische Durchschlagsfeldstärke ist eine Größenordnung höher als die von Silizium. Dies bedeutet, dass SiC eine höhere Zuverlässigkeit und Effizienz in Hochspannungsanwendungen bieten kann. Darüber hinaus kann SiC auch bei hohen Temperaturen von 2000 °C eine gute elektrische Leitfähigkeit aufrechterhalten, die mit Graphit vergleichbar ist. Dies macht es zu einem idealen Halbleitermaterial in Hochtemperaturumgebungen. Auch die Korrosionsbeständigkeit von SiC ist äußerst hervorragend. Die auf seiner Oberfläche gebildete dünne SiO2-Schicht verhindert wirksam eine weitere Oxidation und macht es bei Raumtemperatur beständig gegen nahezu alle bekannten Korrosionsmittel. Dies gewährleistet den Einsatz in rauen Umgebungen.

In Bezug auf die Kristallstruktur spiegelt sich die Vielfalt von SiC in seinen mehr als 200 verschiedenen Kristallformen wider, eine Eigenschaft, die auf die unterschiedliche Art und Weise zurückzuführen ist, in der Atome in seinen Kristallen dicht gepackt sind. Obwohl es viele Kristallformen gibt, lassen sich diese Kristallformen grob in zwei Kategorien einteilen: β-SiC mit kubischer Struktur (Zinkblende-Struktur) und α-SiC mit hexagonaler Struktur (Wurtzit-Struktur). Diese strukturelle Vielfalt bereichert nicht nur die physikalischen und chemischen Eigenschaften von SiC, sondern bietet Forschern auch mehr Auswahlmöglichkeiten und Flexibilität beim Entwurf und der Optimierung von Halbleitermaterialien auf SiC-Basis.

Unter den vielen SiC-Kristallformen sind die häufigsten3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC und 15R-SiC. Der Unterschied zwischen diesen Kristallformen spiegelt sich hauptsächlich in ihrer Kristallstruktur wider. 3C-SiC, auch kubisches Siliziumkarbid genannt, weist die Eigenschaften einer kubischen Struktur auf und ist die einfachste Struktur unter SiC. SiC mit hexagonaler Struktur kann entsprechend unterschiedlicher Atomanordnungen weiter in 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC und andere Typen unterteilt werden. Diese Klassifizierungen spiegeln die Art und Weise wider, wie Atome im Kristall gepackt sind, sowie die Symmetrie und Komplexität des Gitters.

Die Bandlücke ist ein Schlüsselparameter, der den Temperaturbereich und das Spannungsniveau bestimmt, in dem Halbleitermaterialien betrieben werden können. Unter den verschiedenen Kristallformen von SiC weist 2H-SiC mit 3,33 eV die höchste Bandlückenbreite auf, was auf seine hervorragende Stabilität und Leistung unter extremen Bedingungen hinweist; 4H-SiC folgt dicht dahinter mit einer Bandlückenbreite von 3,26 eV; 6H-SiC hat eine etwas geringere Bandlücke von 3,02 eV, während 3C-SiC die niedrigste Bandlücke von 2,39 eV aufweist, wodurch es häufiger bei niedrigeren Temperaturen und Spannungen eingesetzt wird.

Die effektive Lochmasse ist ein wichtiger Faktor, der die Lochmobilität von Materialien beeinflusst. Die effektive Lochmasse von 3C-SiC beträgt 1,1 m0, was relativ niedrig ist, was darauf hindeutet, dass die Lochmobilität gut ist. Die effektive Lochmasse von 4H-SiC beträgt 1,75 m0 auf der Basisebene der hexagonalen Struktur und 0,65 m0 senkrecht zur Basisebene, was den Unterschied in seinen elektrischen Eigenschaften in verschiedenen Richtungen zeigt. Die effektive Lochmasse von 6H-SiC ähnelt der von 4H-SiC, ist jedoch insgesamt etwas niedriger, was sich auf die Ladungsträgermobilität auswirkt. Die effektive Masse des Elektrons variiert je nach spezifischer Kristallstruktur im Bereich von 0,25–0,7 m0.

Die Trägermobilität ist ein Maß dafür, wie schnell sich Elektronen und Löcher innerhalb eines Materials bewegen. 4H-SiC schneidet in dieser Hinsicht gut ab. Seine Loch- und Elektronenmobilität ist deutlich höher als bei 6H-SiC, wodurch 4H-SiC eine bessere Leistung in leistungselektronischen Geräten bietet.

Aus der Perspektive einer umfassenden Leistung ist jede Kristallform vonSiChat seine einzigartigen Vorteile. 6H-SiC eignet sich aufgrund seiner strukturellen Stabilität und guten Lumineszenzeigenschaften für die Herstellung optoelektronischer Geräte.3C-SiCeignet sich aufgrund seiner hohen gesättigten Elektronendriftgeschwindigkeit für Hochfrequenz- und Hochleistungsgeräte. 4H-SiC ist aufgrund seiner hohen Elektronenmobilität, seines geringen Betriebswiderstands und seiner hohen Stromdichte eine ideale Wahl für leistungselektronische Geräte. Tatsächlich ist 4H-SiC nicht nur das Halbleitermaterial der dritten Generation mit der besten Leistung, dem höchsten Kommerzialisierungsgrad und der ausgereiftesten Technologie, es ist auch das bevorzugte Material für die Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen in Hochdruck-Hochdruckanwendungen. Temperatur und strahlungsbeständige Umgebungen.