Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) έχει γίνει ένα θεμελιώδες υλικό για την επόμενη γενιά ηλεκτρονικών ισχύος, συστημάτων υψηλής θερμοκρασίας και συσκευών υψηλής συχνότητας. Αυτό που κάνει το SiC μοναδικό είναι ότι μπορεί να κρυσταλλωθεί σε πολλούς πολυτύπους—έχουν αναγνωριστεί πάνω από 200—παρόλο που όλοι μοιράζονται την ίδια χημική φόρμουλα. Μεταξύ αυτών, 4H-SiC και 6H-SiC είναι μακράν οι πιο εμπορικά σημαντικοί.

Εξωτερικά, φαίνονται παρόμοια: και οι δύο είναι εξαγωνικοί πολυτύποι με υψηλή θερμική αγωγιμότητα, ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς και μεγάλα ενεργειακά χάσματα. Ωστόσο, λεπτές διαφορές στη στοίχιση των ατόμων τους δίνουν διακριτές ηλεκτρονικές συμπεριφορές και καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιούνται σε ημιαγωγικές συσκευές.

Αυτό το άρθρο παρέχει μια σαφή και πρωτότυπη εξήγηση για το πώς τα 4H-SiC και 6H-SiC διαφέρουν στη δομή των κρυστάλλων, τις φυσικές ιδιότητες και τις πρακτικές εφαρμογές.

1. Γιατί το SiC σχηματίζει διαφορετικούς πολυτύπους

Το SiC αποτελείται από εναλλασσόμενα στρώματα πυριτίου και άνθρακα. Αν και κάθε στρώμα έχει την ίδια ατομική διάταξη, η σειρά στοίχισης τους μπορεί να αλλάξει. Αυτή η ακολουθία στοίχισης είναι αυτό που δημιουργεί διαφορετικούς πολυτύπους.

Μια απλή αναλογία είναι η στοίχιση πανομοιότυπων τραπουλόχαρτων σε διαφορετικά μοτίβα μετατόπισης. Τα χαρτιά δεν αλλάζουν, αλλά το συνολικό σχήμα αλλάζει.

Στο SiC:

• ένα σύντομο επαναλαμβανόμενο μοτίβο δημιουργεί έναν πολυτύπο όπως το 4H,

• ενώ ένα μακρύτερο μοτίβο δημιουργεί 6H.

Ακόμη και τέτοιες μικρές δομικές αλλαγές είναι αρκετές για να αλλάξουν τη δομή ζώνης, τα ενεργειακά επίπεδα και την κινητικότητα των φορέων.

2. Σύγκριση δομής κρυστάλλων

4H-SiC

• Η ακολουθία στοίχισης επαναλαμβάνεται κάθε τέσσερα στρώματα

• Η συμμετρία του κρυστάλλου είναι εξαγωνική

• Η σταθερά πλέγματος στον άξονα C είναι περίπου 10.1 Å

Επειδή η ακολουθία στοίχισης είναι μικρότερη και πιο ομοιόμορφη, ο κρύσταλλος που προκύπτει παρουσιάζει λιγότερη ανισοτροπία και πιο σταθερές ηλεκτρονικές ιδιότητες κατά μήκος διαφορετικών κατευθύνσεων.

6H-SiC

• Η ακολουθία στοίχισης επαναλαμβάνεται κάθε έξι στρώματα

• Εξαγωνική συμμετρία κρυστάλλου

• Η σταθερά πλέγματος στον άξονα C είναι περίπου 15.1 Å

Η μεγαλύτερη απόσταση επανάληψης δημιουργεί πολλαπλούς μη ισοδύναμους ατομικούς ιστότοπους, καθιστώντας τη δομή ζώνης πιο περίπλοκη και οδηγώντας σε κινητικότητα φορέων που εξαρτάται από την κατεύθυνση.

3. Ενεργειακό χάσμα και ηλεκτρονικές ιδιότητες

Το 4H-SiC προσφέρει:

• υψηλότερο ενεργειακό χάσμα

• υψηλότερο πεδίο διάσπασης

• ταχύτερη μεταφορά ηλεκτρονίων

Αυτά τα χαρακτηριστικά το καθιστούν ιδιαίτερα κατάλληλο για συσκευές υψηλής τάσης και υψηλής συχνότητας.

Το 6H-SiC, ενώ εξακολουθεί να είναι ένα υλικό με μεγάλο ενεργειακό χάσμα, παρουσιάζει χαμηλότερη κινητικότητα λόγω της πιο περίπλοκης ακολουθίας στοίχισης.

4. Θερμικά και μηχανικά χαρακτηριστικά

Και οι δύο πολυτύποι μοιράζονται τους ίδιους ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς Si–C, δίνοντάς τους:

• υψηλή θερμική αγωγιμότητα

• εξαιρετική μηχανική αντοχή

• αντίσταση στην ακτινοβολία και τη χημική διάβρωση

Οι τιμές θερμικής αγωγιμότητας είναι παρόμοιες:

• 4H-SiC ≈ 4.9 W/cm·K

• 6H-SiC ≈ 4.7 W/cm·K

Οι διαφορές είναι πολύ μικρές για να επηρεάσουν σημαντικά την επιλογή συσκευής.

5. Εφαρμογές: Πού διαπρέπει κάθε πολυτύπος

4H-SiC: Το βιομηχανικό πρότυπο για τα ηλεκτρονικά ισχύος

Το 4H-SiC κυριαρχεί στα:

• MOSFETs

• Δίοδοι Schottky

• Μονάδες ισχύος

• Διακόπτες υψηλής τάσης

• Μετατροπείς υψηλής συχνότητας

Η ανώτερη κινητικότητα των ηλεκτρονίων και το πεδίο διάσπασης βελτιώνουν άμεσα την απόδοση της συσκευής, την ταχύτητα μεταγωγής και τη θερμική ανθεκτικότητα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο σχεδόν όλες οι σύγχρονες συσκευές ισχύος SiC βασίζονται στο 4H-SiC.

6H-SiC: Εξειδικευμένο αλλά ακόμα πολύτιμο

Το 6H-SiC χρησιμοποιείται σε:

• Συσκευές μικροκυμάτων

• Οπτοηλεκτρονική

• Υποστρώματα για επιταξία GaN

• Φωτοανιχνευτές UV

• Εξειδικευμένες ερευνητικές εφαρμογές

Επειδή οι ηλεκτρονικές του ιδιότητες ποικίλλουν ανάλογα με την κατεύθυνση του κρυστάλλου, μερικές φορές επιτρέπει συμπεριφορές υλικών που δεν είναι εφικτές με το 4H-SiC.

6. Ποιον πολυτύπο πρέπει να επιλέξουν οι μηχανικοί;

Εάν ο στόχος είναι:

• υψηλότερη τάση

• υψηλότερη απόδοση

• υψηλότερη συχνότητα μεταγωγής

• μικρότερη απώλεια αγωγιμότητας

τότε το 4H-SiC είναι η σαφής επιλογή.

Εάν η εφαρμογή περιλαμβάνει:

• πειραματική έρευνα υλικών

• εξειδικευμένη συμπεριφορά RF

• συμβατότητα παλαιών συσκευών

τότε το 6H-SiC παραμένει χρήσιμο.

7. Συμπέρασμα

Αν και τα 4H-SiC και 6H-SiC μοιράζονται την ίδια στοιχειακή σύνθεση, οι διαφορετικές ακολουθίες στοίχισης δημιουργούν διακριτά ηλεκτρονικά τοπία. Για τα σύγχρονα ηλεκτρονικά ισχύος, το 4H-SiC προσφέρει ανώτερη απόδοση και έχει γίνει ο κυρίαρχος πολυτύπος της βιομηχανίας. Εν τω μεταξύ, το 6H-SiC συνεχίζει να διαδραματίζει σημαντικό ρόλο σε εξειδικευμένα οπτοηλεκτρονικά και πεδία RF.

Η κατανόηση αυτών των δομικών και ηλεκτρονικών διαφορών βοηθά τους μηχανικούς να επιλέξουν το καταλληλότερο υλικό για συσκευές ημιαγωγών επόμενης γενιάς.