För att välja en optimal SiC-polytyp måste man ta hänsyn till dess elektriska, termiska och mekaniska prestanda i förhållande till den avsedda tillämpningen. 4H och 6H spelar en viktig roll i applikationer inom kraftelektronik och i tuffa miljöer.
Föroreningar orsakar vanligtvis gitterexpansion, förutom B, N och P som resulterar i gitterkontraktion på cirka -0,51%. Föroreningar i grupp VA och VIA ockuperar ofta Si-platser eller interstitiella platser för att bilda djupa halvockuperade a1-energinivåer nära CBM som orsakar gitterexpansion.
Hög värmeledningsförmåga
Den höga värmeledningsförmågan hos 4H-SiC säkerställer effektiv värmeavledning, vilket är avgörande för att elektroniska enheter ska fungera under extrema driftsförhållanden. Dessutom möjliggör högre switchfrekvenser högre switchfrekvenser som minskar kylbehovet avsevärt - vilket gör 4H-SiC till ett idealiskt material för högeffektselektronik som finns i elfordon och omvandlare för förnybar energi.
4H-SiC:s breda bandgap och höga genombrottsspänning gör att det kan hantera stora strömmar utan att enhetens temperatur ökar, medan den låga defektdensiteten gör att det klarar högre effektnivåer och långa kopplingstider, vilket gör det till ett idealiskt material för högpresterande applikationer. Dessutom har 4H-SiC överlägsna mekaniska egenskaper, inklusive strålnings- och temperaturbeständighet, samt är mycket värmebeständigt.
Forskarna använde 3C-SiC-filmer på Si-substrat och dopade dem avsiktligt med bor (B), med koncentrationer på 1-2×1019 atomer cm-3; detta var mycket lägre än i tidigare mätningar men den uppmätta värmeledningsförmågan är fortfarande hög och motsvarar teoretiska förutsägelser.
Resultaten visar att kristallkvalitet och renhet är avgörande för värmeledningsförmågan hos WBG-halvledare, särskilt 4H-SiC, och att frekvensberoendet är ett utmärkt riktmärke för att förstå hur värme transporteras i dessa halvledare - ett viktigt steg mot att utveckla mer energieffektiva kraftanordningar för elfordon eller andra applikationer.
Hög elektronrörlighet
Elektronrörlighet är en av de viktigaste egenskaperna som gör kiselkarbid (SiC) till ett attraktivt material för högpresterande enheter, med dubbelt så hög elektronrörlighet som i N-dopat kisel. Det är känt att SiC innehåller stora atomorbitaler som begränsar elektronrörligheten och den effektiva massan. För att motverka denna effekt har svaveldopning visat sig vara mycket effektivt för att öka orbitalamplituderna jämfört med kiselinnehållande material. Professor Ryoya Ishikawa vid University of Tokyo har i en ny studie undersökt Hall-elektronrörligheten i svaveldopad 4H-SiC vid olika temperaturer och givarkoncentrationer med hjälp av SiC(1120)-hallbarstrukturer. Resultaten visade att denna rörlighet är starkt temperaturberoende och nära förknippad med anisotropi i den effektiva massan.
I denna studie användes första-principberäkningar på modenivå för att förutsäga de elektroniska transportegenskaperna hos olika SiC-geometrier med och utan belastning, inklusive 4H-SiC under enaxlig belastning. Det visade sig att låg hålrörlighet i 4H-SiC på grund av stora effektiva massor i dess tunga och lätta hålband samt stark interbandelektron-fononspridning minskade avsevärt, men genom att inkludera kvadrupolkorrigeringar i dess elektron-fononinteraktionstensor kan denna effekt förbättras avsevärt.
En metod för att öka hålrörligheten hos 4H-SiC är att använda dess (1120)-yta, som har mindre negativa laddningar än SiC med (0001)-yta. Studier har visat att detta tillvägagångssätt gav 17 gånger högre inversionskanalrörlighet i SiC MOSFETs jämfört med dopad SiC med (0001)-yta.
Hög effekttäthet
4H-kiselkarbidkretsar ger betydligt högre effekttäthet jämfört med motsvarande kiselkretsar tack vare det breda bandgapet, den höga mättnadselektronens drifthastighet och det stora elektriska genomslagsfältet. Dessutom klarar de högre temperaturer och spänningar, vilket ger bättre prestanda och tillförlitlighet.
4H-SiC MOSFETs har låga on-state-förluster som gör dem idealiska för högfrekvensapplikationer, vilket gör dem till ett användbart alternativ till krafthalvledare av kisel och ger snabbare växlingshastigheter än deras motsvarigheter av kisel.
Att hitta rätt SiC-polytyp för varje given applikation är av yttersta vikt. För att göra detta på ett effektivt sätt måste man noga överväga alla elektriska och termiska krav. 4H-SiC väljs ofta när hög effekttäthet och termisk effektivitet är av största vikt, medan 6H-SiC utmärker sig när ljusemission och mekanisk motståndskraft är centrala faktorer.
För att maximera prestandan hos kraftelektronikenheter är det viktigt att minska deras on-state-resistans. Detta kan åstadkommas genom att minska tjockleken på n-lagret och öka dopningstätheten - på så sätt kan mer ström flöda igenom och därmed minska on-state-motståndet samtidigt som spänningströskeln höjs. För att nå en så hög strömtäthet krävs dock ytterligare forsknings- och utvecklingsinsatser.
Hög kemisk beständighet
SiC är ett av de mest kemiskt resistenta materialen på jorden och kan motstå höga temperaturer samtidigt som det behåller sin styrka och hårdhet under extrema förhållanden. Dessutom kan SiC motstå termisk chock samt syror, alkalier och reaktiva gaser - den starka bindningen mellan kisel och kol skapar exceptionell hårdhet, värmeledningsförmåga, hög draghållfasthet, kemisk stabilitet samt överlägsen korrosionsbeständighet jämfört med liknande material.
3C-SiC, 4H-SiC och 6H-SiC har alla liknande mekaniska och kemiska egenskaper; de skiljer sig endast åt när det gäller staplingssekvensen för deras tvåskikt. 4H-SiC uppvisar högre kritisk elektrisk fältstyrka, energitäthet i bandgapet och mättnadselektronhastighet än sina motsvarigheter (3C-SiC och 6H-SiC).
4H-SiC:s breda bandgap gör att den kan arbeta vid höga temperaturer med relativt låg specifik on-resistans, vilket gör den till en effektiv piezoresistiv trycksensorlösning. Dessutom har en rigorös metod tagits fram för att analysera dess respons på temperaturvariationer.
Swedish 
English