4H- ja 6H-piikarbidin edut tehoelektroniikassa

Piikarbidi (SiC) on poikkeuksellinen materiaali, jolla on erinomaiset sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet, minkä ansiosta se sopii erityisen hyvin sovelluksiin, joissa vaaditaan suorituskykyä korkeissa lämpötiloissa ja jännitteissä. SiC sopii erityisen hyvin suuritehoisiin ja suurtaajuuksisiin sovelluksiin, joissa lämmönpoisto on olennaisen tärkeää.

Atmosfääristä mikroskopiaa (OM) ja laserskannauskonfokaalimikroskopiaa (LSCM) käytettiin etsattujen 4H-SiC-epitaaksikerrosten etsauskuoppien morfologian analysointiin. Paikallisten vuotovirtojen mittaamiseksi suoritettiin tunneloivan atomivoimamikroskopian (TUNA) mittauksia; niiden avulla pystyimme määrittämään, millaisia dislokaatioita näytteissämme saattaa esiintyä.

Korkea lämmönjohtavuus

SiC tunnetaan erinomaisesta lämmönjohtavuudestaan, jonka ansiosta se jakaa lämpöä tehokkaammin ja pidentää elektroniikkalaitteiden suorituskykyä ja käyttöikää. Yhdistettynä korkeaan sulamislämpötilaansa ja jäykkyyteensä SiC on ihanteellinen materiaali sovelluksiin, joissa vaaditaan lämmönkestävyyttä ja samalla poikkeuksellisia lämmönpoistokykyjä ympäristöissä, joissa toimintakuormitus on suuri, kuten avaruustason anturilaitteissa tai säteilynkestävässä elektroniikassa.

Piikarbidin atomitason rakenne on olennaisen tärkeä sen ominaisuuksien kannalta. Sen lämmönjohtavuuteen vaikuttavat useat tekijät, kuten hila-hapen ja -typen pitoisuus, huokoisuus, raekokojakauma ja faasimuutokset – mutta näiden tekijöiden vaikutusten syvällinen ymmärtäminen on edelleen rajallista.

Tässä tutkimuksessa esitetään ensimmäinen systemaattinen mittaus 3C-SiC-massiakiteiden anisotrooppisesta lämmönjohtavuudesta huoneenlämpötilassa. Mitatut tasosuuntaiset k-arvot ovat yli 50% korkeammat kuin kaupallisesti saatavilla oleville 6H-SiC- ja AlN-kiteille raportoidut arvot; ne ovat toiseksi korkeimmat minkä tahansa materiaalin suurikokoisista kiteistä. Mittausten suorittamiseen kirjoittajat käyttivät BO-TDTR-laitetta, jonka modulaatiotaajuus oli 1,9 MHz ja jossa oli 10-kertainen objektiivilinssi.

CVD-SiC, joka tunnetaan myös nimellä kemiallisella höyrypinnoituksella kasvatettu piikarbidi, on kasvo-keskitetty kuutiollinen monikiteinen piikarbidimuoto, jolla on laaja kaistaväli ja korkea läpilyöntijännite. Nämä ominaisuudet tekevät siitä ihanteellisen materiaalin tehoelektroniikkalaitteisiin, jotka toimivat korkeissa lämpötiloissa ja jännitteissä. Lisäksi sen poikkeuksellisen alhainen lämpölaajenemiskerroin ja erittäin korkea tulenkestävyys tekevät SiC:stä ihanteellisen materiaalin moniin sovelluksiin, kuten tähtitieteellisten kaukoputkien peileihin.

Korkea läpilyöntijännite

Piikarbidi (SiC) tarjoaa lukuisia etuja tehoelektroniikkasovelluksissa. Sen laaja kaistaväli mahdollistaa laitteiden toiminnan korkeammissa lämpötiloissa ja jännitteissä, kun taas sen alhainen vikatiheys parantaa suorituskykyä – kaikki nämä tekijät tekevät SiC:stä houkuttelevan vaihtoehdon piipohjaisille (Si) tehoelektroniikkalaitteille. SiC:n ainutlaatuiset materiaaliominaisuudet on kuitenkin otettava huomioon suunniteltaessa ja valmistettaessa puolijohdekomponentteja, joissa käytetään SiC:tä; esimerkiksi sen kiderakenne vaikuttaa sekä suorituskykyyn että läpilyöntijännitteeseen; tämän tyyppisiä komponentteja suunniteltaessa 4H-SiC:n ja 6H-SiC:n atomijärjestykset eroavat toisistaan, mikä aiheuttaa eroja fysikaalisissa ja elektronisissa ominaisuuksissa, jotka on otettava huomioon niiden suunnittelussa tai valmistuksessa, jotta voidaan varmistaa niiden optimaalinen käyttö, kun niitä suunnitellaan piitä käyttävien tehoelektroniikkakomponenttien korvaajiksi.

SiC-bipolaaristen tehoelektroniikkakomponenttien läpilyöntijännite riippuu kahdesta muuttujasta: jännitteenestokerroksen paksuudesta ja dopingpitoisuudesta. Ohuemmat estokerrokset pienentävät vastusta, kun taas voimakkaammin seostetut kerrokset nostavat läpilyöntijännitettä. Littelfuse on kehittänyt tilamodifioidun Junction Termination Extension (JTE) -rakenteen, jonka mitat ja seostuspitoisuus on sovitettu parantamaan SiC-bipolaaritransistorien suorituskykyä.

Bipolaaritransistorin läpilyöntijännitteen nostamiseksi sen JTE-rakenne passivoitiin kerrostamalla siihen SiO₂-kerros, joka hehkutettiin NO-ilmakehässä. Tämä paransi pintarekombinaatiota ja mahdollisti 23 kV:n maksimiläpilyöntijännitteen – mikä tarjoaa bipolaaritransistorille nyt mahdollisuuden suuritehoisiin sovelluksiin.

Alhainen resistiivisyys

Piikarbidi on erittäin kova, kemiallisesti kestävä materiaali, jolla on erinomainen lämmönjohtavuus ja jota käytetään laajalti elektroniikkalaitteissa ja valodiodissa (LED). Vaikka luonnollista moissanittia voi toisinaan esiintyä meteoriiteissa, korundiesiintymissä tai kimberliiteissa, suurin osa maailmanlaajuisesti myytävästä piikarbidista on synteettistä; sen suuri kovuus ja lämmönkestävyys tekevät siitä houkuttelevan materiaalivalinnan kaukoputkien peileihin.

Piikarbidia on kahta päätyyppiä: alfa- ja beeta-muoto. Alfa-muoto, jolla on wurtsiittikiteinen rakenne, on selvästi suosituin tyyppi, kun taas sinkkiblendi on vähemmän yleinen. Vielä viime aikoihin asti beeta-muotoa käytettiin harvoin kaupallisesti korkean lämpötilan sovelluksissa, mutta nykyään siitä on tullut houkutteleva vaihtoehto.

4H-SiC ja 6H-SiC eroavat toisistaan pääasiassa kiderakenteensa osalta. Molemmilla polytyypeillä on kuusikulmainen kiderakenne, mutta niiden kerrosten pinoamisjärjestyksessä voi olla hienoisia eroja, mikä johtaa siihen, että näiden kahden polytyypin hilavakiot ja sähköiset ominaisuudet eroavat toisistaan.

4H-SiC:n jo ennestään alhaista resistiivisyyttä voidaan edelleen parantaa vähentämällä virhetiheyttä joko pienentämällä epäpuhtauspitoisuuksia tai käyttämällä matalalämpötilaisia kasvutekniikoita tai optimoimalla etsausprosessia myrkyllisten HF-reagenssien käytön minimoimiseksi.

Erinomainen lämpöstabiilisuus

Piikarbidi on laajakaistainen puolijohdemateriaali, joka kestää korkeita lämpötiloja ja jännitteitä poikkeuksellisen lämpöstabiilisuutensa ansiosta. Tämän ansiosta materiaali soveltuu jopa vaativiin sovelluksiin, kuten tehoelektroniikkaan. Lisäksi piikarbidin korkea elektronien liikkuvuus mahdollistaa nopeat kytkentänopeudet, minkä vuoksi se on erinomainen valinta tehokytkimiin, diodeihin ja tasasuuntaajiin.

Piikarbidia esiintyy useina polytyyppeinä, joista jokaisella on omat ainutlaatuiset ominaisuutensa. Näistä tyypeistä 4H-SiC erottuu edukseen poikkeuksellisten sähköisten ja mekaanisten ominaisuuksiensa ansiosta; näiden varianttien joukossa sitä pidetään yhtenä edistyneimmistä polytyypeistä sen kuusikulmaisen kidehilan ansiosta, kun taas 6H-SiC muodostaa kuutiomaisen kidehilan.

4H-SiC:ssä esiintyvillä epäpuhtauksilla on valtava vaikutus sen suorituskykyyn; niiden luonne ja vaikutukset ovat kuitenkin edelleen huonosti ymmärrettyjä. Tämän tiedonpuutteen korjaamiseksi suoritettiin ensimmäisten periaatteiden mukaisia muodostumisenergian laskelmia, joiden avulla kehitettiin kattava tietokanta 4H-SiC:n epäpuhtauspaikoista; tietokanta sisältää muun muassa tietoa hilavääristymästä, liukoisuustasoista, varauksen siirtymätasoista jne.

Toissijaisten ionien massaspektrometriaa käytettiin 4H-SiC-näytteiden Si-substraatin ja kasvupinnan läheisyydessä sijaitsevien O-, B- ja N-tiheyksien syvyysprofiilien analysointiin, ja sen avulla havaittiin, että suurin osa epäpuhtauksista aiheutti hilan laajenemista, kun taas ainoastaan B- ja N-atomit johtivat hilan supistumiseen noin 0,51%.