4H-SiC tarjoaa laajan valikoiman mahdollisuuksia puolijohdesovelluksiin

4H-SiC:n ainutlaatuinen kiderakenne ja fysikaaliset ominaisuudet tarjoavat lukuisia mahdollisuuksia puolijohdesovelluksiin, suuritehoelektroniikasta äärimmäisissä olosuhteissa toimivien resonaattoreiden kehittämiseen. 4H-SiC pysyy teknologisen kehityksen eturintamassa sen keskeisten ominaisuuksien ansiosta, jotka avaavat jatkuvasti uusia mahdollisuuksia.

Li- ja ryhmän VA epäpuhtaudet aiheuttavat hilan laajenemista, kun taas B-, N- ja P-epäpuhtaudet aiheuttavat hilan supistumista, sillä ne miehittävät välipaikkoja ja muodostavat syviä, 1/4-täyttyneitä energiatasoja lähellä CBM:ää.

Korkea lämmönjohtavuus

Optimaalisen piikarbidipolytyypin valinta lämpötehokkuussovelluksiin voi olla ratkaisevan tärkeää. Valinta tehdään arvioimalla sovellukseen liittyvät sähköiset, lämpötekniset ja mekaaniset vaatimukset – tällaisissa tilanteissa 4H-SiC erottuu edukseen laajan kaistanleveyden ja korkean elektroniliikkuvuuden ansiosta, kun taas 6H-SiC erottuu poikkeuksellisesta kovuudestaan ja kemiallisen kestävyydestään.

Sekä 4H- että 6H-SiC tarjoavat poikkeuksellisia ominaisuuksia tehoelektroniikkasovelluksiin, minkä vuoksi ne ovat ensisijainen valinta. Yksi keskeinen ero näiden kahden polytyypin välillä on niiden kiderakenteissa: 4H-SiC:llä on kuusikulmainen kiderakenne, kun taas 6H-SiC:llä on monimutkaisempi ABAB-pinoamisjärjestys. Nämä erot vaikuttavat atomitiheyteen, virheiden jakautumiseen ja kiteiden kasvuprosesseihin sekä kunkin polytyypin ominaispiirteisiin.

4H-SiC erottuu edukseen fononien siirrossa, ja sen lämmönjohtavuus on sekä c-akselin että perustason suhteen parempi kuin 6H-SiC:llä; tämän ansiosta se sopii paremmin sovelluksiin, joissa lämmönhallintaa koskevat vaatimukset ovat tiukemmat, kuten tehokytkimiin ja ilmailu- ja avaruusteollisuuden elektroniikkaan.

Lämpötilariippuvaiset lämmönjohtavuudet mitattiin femtosekuntilaserilla toimivan aikatason lämpöheijastusmenetelmän (TDTR) avulla. Lämpötilariippuvaiset ominaislämpökapasiteetit laskettiin kaavan 2 avulla, ja niiden havaittiin pienenevän monotonisesti lämpötilan noustessa; V-dopattujen näytteiden arvot ovat lähellä korkean puhtauden näytteiden arvoja, mutta suurempia kuin N-tyyppisten näytteiden.

Korkea elektronien liikkuvuus

4H-piikarbidin suurempi kaistanleveys tekee siitä ihanteellisen ratkaisun korkeataajuuksisissa ja suuritehoisissa laitteissa, kun taas sen syvien vikojen alhainen pitoisuus mahdollistaa sen, että se kestää korkeampia lämpötiloja ja jännitteitä ja tarjoaa samalla nopean varauksenkulun, mikä parantaa laitteen suorituskykyä ja hyötysuhdetta.

4h-sic on ihanteellinen materiaali tehoelektroniikkaan ja autoteollisuuden komponentteihin sen laajan kaistanraon ja korkean elektronien liikkuvuuden ansiosta; se toimii korkeammissa lämpötiloissa ja jännitteissä kuin piikomponentit, mikä vähentää vuotovirtaa ja parantaa komponenttien hyötysuhdetta. Lisäksi tämän materiaalin laaja kaistaväli mahdollistaa suuremman määrän sähkömagneettisen kentän energian absorboimisen, mikä vähentää elektronien ja fononien välisistä vuorovaikutuksista aiheutuvia häviöitä ja auttaa lopulta minimoimaan näihin vuorovaikutuksiin liittyvät häviöt.

Advances in Engineering -lehdessä julkaistun tutkimuksen tekijät suorittivat kokeita, joissa mitattiin Hall-elektronien liikkuvuutta c-akseliin nähden kohtisuoraan ja samansuuntaisesti eri lämpötiloissa ja doping-tasoilla käyttäen 4H-SiC(1120)-epitaaksikerrosten Hall-palkkirakenteita. Lisäksi he suorittivat ensimmäisten periaatteiden mukaisia laskelmia elektronien efektiivisen massan ja drift-liikkuvuuden anisotropian määrittämiseksi.

Tutkimusryhmä havaitsi, että aukkojen liikkuvuus kasvaa dopingpitoisuuden laskiessa ja että elektronien epätasainen efektiivinen massa vaikuttaa epätasaiseen driftiliikkuvuuskuvioon, mikä tarjoaa mahdollisuuden parantaa SiC:n aukkojen liikkuvuutta. Nämä havainnot herättävät toivoa, sillä ne osoittavat, miten aukkojen liikkuvuutta voitaisiin lisätä käytännön keinoin.

Suuri tehotiheys

4h-sic:n laaja kaistaväli mahdollistaa sen käytön korkeammissa lämpötiloissa ja jännitteissä, mikä puolestaan mahdollistaa suuritehoisten elektronisten laitteiden kehittämisen. Jotta näitä potentiaalisia sovelluksia voitaisiin hyödyntää täysimääräisesti, on kuitenkin kehitettävä myös pakkausmateriaaleja, jotka kestävät sekä sen lämpötilaa että virrantiheyttä ja jotka mahdollistavat nopean lämmönpoiston.

Tutkijat ovat äskettäin kehittäneet 4H-SiC-MESFET-komponentteja, joissa on yksi drain-sormi ja kaksi gate-sormea. Niiden tehotiheys on jopa 1,9 W/mm taajuudella 3 GHz – mikä on huomattavasti enemmän kuin perinteisissä kaksikanavaisissa SiC-MESFET-komponenteissa. Lisäksi näiden komponenttien läpilyöntijännitteen vakaus sekä virran lämpövakaus ovat erinomaiset.

Erinomainen kemikaalinkestävyys

Muovimateriaalien kemiallinen kestävyys tarkoittaa niiden kykyä säilyttää fyysinen ja rakenteellinen kunto altistuessaan kemikaaleille, ja tämä ominaisuus määräytyy materiaalin kemiallisen kaavan perusteella. Laadukkaat muovit kestävät monia erilaisia nestemäisiä kemiallisia yhdisteitä ilman, että niissä ilmenee hajoamista tai turpoamista.

Muovit, kuten PTFE (jota yleisesti kutsutaan Tefloniksi), kestävät erinomaisesti kemikaaleja, kuten suolahappoa, rikkihappoa ja typpihappoa, sekä orgaanisia liuottimia, kuten asetonia ja bentseeniä – minkä ansiosta ne soveltuvat moniin teollisiin ja lääketieteellisiin laitesovelluksiin.

Piikarbidilla on erinomainen kemiallinen stabiilisuus. Hapot, emäkset, orgaaniset liuottimet sekä useimmat voimakkaat hapettimet ja hapot eivät vaikuta siihen helposti; sen kovuus takaa hyvän kulutus- ja naarmuuntumiskestävyyden, minkä ansiosta se soveltuu mekaaniseen käyttöön vaativissa olosuhteissa.

Lämpötila ei juurikaan vaikuta SiC 4H -kanavan kantajien liikkuvuuteen, minkä ansiosta sen pietsoresistiiviset paineanturit ovat ankarissa kemiallisissa ympäristöissä luotettavampia kuin perinteiset vastineensa, sillä niitä voidaan käyttää korkeammissa lämpötiloissa ilman, että herkkyys tai suorituskyky heikkenee.