4H Kiselkarbid

Kiselkarbid (SiC) har överlägsna elektriska och mekaniska egenskaper, vilket gör det till ett eftertraktat material för applikationer som högeffektsströmställare och rymdelektronik. Dessutom möjliggör det breda bandgapet och den termiska stabiliteten effektiv prestanda vid förhöjda temperaturer och spänningar.

SiC är allmänt känt för sin exceptionella mekaniska styrka och hårdhet, sin tålighet i tuffa miljöer som högtemperatursensorer, strålningstålig elektronik och strålningsskyddande applikationer, samt för sin motståndskraft mot korrosion i miljön.

Termisk konduktivitet

4H kiselkarbids överlägsna värmeledningsförmåga på 1,89 milliWatt per K-1 gör den till ett idealiskt material för elektroniska och mekaniska applikationer som arbetar vid förhöjda temperaturer och spänningar, t.ex. kraft- eller RF-enheter som måste arbeta vid högre frekvenser utan att öka komponentstorleken eller riskera överhettningsfel. Dess termiska egenskaper gör 4H kiselkarbid idealiskt för avancerade elektroniska och mekaniska enheter som arbetar under tuffa miljöförhållanden, inklusive temperaturer som överstiger 100Kdeg.

Värmekonduktiviteten mättes på 3C-SiC-bulkkristaller i waferskala med TDTR-tekniken med 5x objektiv och 9,3 MHz modulationsfrekvens på prover som hade kylts till rumstemperatur med ett objektiv med 5x förstoring och 9,3 MHz modulationsfrekvens, med lågfrekvensmätningar i längsgående riktning som varierade beroende på töjning i drag- eller tryckriktning. Vid låga frekvenser med tryckande töjning var fononernas grupphastighet konstant, medan den minskade kontinuerligt med ökande töjningsnivåer.

För att undersöka effekten av förorening X på värmeledningsförmågan hos 3C-SiC, dopade vi den avsiktligt med B i koncentrationer från 1-2×1019 atomer cm-3 och mätte dess värmeledningsförmåga. Resultaten visade att B-föroreningar minskade värmeledningsförmågan avsevärt, vilket förutspåddes av första principberäkningar.

Figur 2a visar djupprofiler av atomtätheter av O, N och B på en 3C-SiC-tillväxtyta och ett Si-substrat efter sekundärjonsputtering, i termer av tätheter av O, N och B och dopningskoncentrationer som kännetecknas av dopningsenergier (mSi, mC och mX) beräknade med ShengBTE-metoden med 36x36q-maskstorlek och breddningsfaktor på 0,149 för N- respektive B-dopningskoncentrationer. Dopningsenergier ger ytterligare detaljer eftersom dopningskoncentrationer anger dopningskoncentrationer som dopningsenergier (mSi, mC och mX). Dopningsenergier anger koncentrationer för dopning (N- och B-dopade områden) dopningskoncentrationer beskrivs av dopningsenergier beräknade från bildningsenergier beräknade med ShengBTE-metoden beräkningar beräknade från bildningsenergier beräknade från föroreningar bildningsenergier beräknade från bildningsenergier med hjälp av bildningsenergi beräkningar på substrat med hjälp av ShengBTE-metoden med 36 q-maskor med breddningsfaktor 0,149.

Elektrisk konduktivitet

4H kiselkarbid har inte bara överlägsna mekaniska egenskaper, utan även utmärkt elektrisk och termisk ledningsförmåga, vilket gör det till ett utmärkt material för applikationer där höga spänningar och effekttätheter är kritiska. Dess överlägsna elektronrörlighet och mättnadselektronhastighet möjliggör effektiv drift vid förhöjda temperaturer och spänningar, vilket gör det lämpligt för elfordon, system för förnybar energi, rymdelektronik samt laddningsinfrastruktur för elfordon. Slutligen underlättar dess anmärkningsvärda värmeledningsförmåga överlägsen värmeavledning vilket säkerställer enhetens livslängd.

Man bör komma ihåg att 4H SiC inte är isotropiskt - vilket innebär att dess materialparametrar skiljer sig åt både längs c-axeln och vinkelrätt mot den på grund av dess hexagonala polytypstruktur, som består av dubbla lager.

Föroreningar spelar en viktig roll i utformningen av de elektriska, optiska och mekaniska egenskaperna hos 4H SiC. Beroende på platsval och atomradie kan föroreningar antingen expandera eller kontrahera SiC-kristallgittret, vilket förändrar fononernas spridningsmönster och de elektroniska bandstrukturerna.

Föroreningar spelar en viktig roll för lösligheten hos 4H SiC i olika dielektrika material. Det är allmänt känt att lösligheten beror på skillnader mellan föroreningens atomradie och värdatomens kisel- eller kolatomradie; större skillnader leder till minskad löslighet.

Piezoelektricitet

Föroreningar spelar en viktig roll när det gäller att forma de elektriska, optiska och mekaniska egenskaperna hos 4H-SiC-material. Föroreningar kan uppta antingen Si- eller C-gitterplatser eller interstitiella positioner beroende på deras föredragna plats och storlek; beroende på deras närvaro eller frånvaro i 4H-SiC-material resulterar detta i antingen gitterförvrängningar eller löslighetsproblem som har en enorm inverkan på dess struktur och egenskaper.

Med hjälp av en modifierad Kolsky bar-teknik studerade vi den dynamiska tryckdeformationen och skadebeteendet hos två hexagonala polytyper (4H och 6H-SiC), tillsammans med deras kopplade elektriska respons, som uppvisar liknande skadeutveckling och tröskelbeteende för elektrisk respons.

En omfattande uppsättning elastiska konstanter bestämdes för det epitaxiella n-typskiktet av 4H-SiC med en ny metod som använder viktat medelvärde av felberäkningar från täthetsfunktionalteori, vilket ger en betydande minskning av osäkerheten.

En effektiv heuristisk metod har tagits fram för att bestämma elasticitetskonstanter för kiselkarbid med hjälp av en medelvärdesprincip liknande den som används för kemiska molekylorbitalberäkningar. Denna heuristiska metod möjliggör noggranna mätningar av elasticitetskonstanter i ett brett spektrum av material, inklusive kiselkarbid; särskilt fördelaktigt för att karakterisera dess egenskaper av n-typ mer exakt på senare tid.

Optiska egenskaper

4H-SiC:s breda bandgap möjliggör effektiva ickelinjära optiska egenskaper som frekvensomvandling och generering av icke-klassiska ljustillstånd, vilket gör det lämpligt för lasrar och andra optiska enheter, särskilt som ett värdmaterial för solid state atomic defect qubits som används inom kvantberäkningar och kommunikation.

4H-SiC har också starka magnetiska egenskaper, vilket gör den lämplig för magnetoelektronik och datalagringsapplikationer. Den överlägsna värmeledningsförmågan och det breda bandgapet gör den dessutom till ett utmärkt halvledarval för kraftelektroniktillämpningar. 4H-SiC:s överlägsna fysiska egenskaper och olinjära optiska egenskaper gör det också till en lovande kandidat för användning i mikroelektroniska komponenter och MEMS-enheter.

För att fullt ut förstå SiC:s komplexa beteende är det viktigt att ta hänsyn till alla dominerande föroreningar i systemet - detta inkluderar deras atomkonfigurationer, fononegenskaper och interaktioner med kristallgitteret. Till exempel visar beräkningar enligt första principen att B-dopning kan leda till betydande gitterförvrängning (se fig 3); detta fenomen tros bero på att ett tomt e-tillstånd bildas i kristallen som konkurrerar med vakuumbundna tillstånd om resurser och därmed förvränger dess gitterstruktur.

Dopantinducerad distorsion av gitterstrukturer manifesteras vanligtvis som en förskjutning av det grundläggande transversella elektriska (TE) läget. För att optimera denna förskjutning måste temperaturinställningen genomföras noggrant för att balansera defektens energinivåer och uppnå optimal spektral förskjutning av TE-läget.