Kiselkarbid (SiC) är ett exceptionellt material med anmärkningsvärda elektriska och mekaniska egenskaper, vilket gör det särskilt lämpligt för tillämpningar som kräver prestanda vid förhöjda temperaturer och spänningar. SiC är särskilt väl lämpat för högeffekts- och högfrekvensapplikationer där värmeavledning är avgörande.
Atmosfärisk mikroskopi (OM) och konfokalmikroskopi med laserskanning (LSCM) användes för att analysera morfologin i etsgroparna i ett etsat epitaxiellt lager av 4H-SiC. För att mäta lokala läckströmmar genomfördes TUNA-mätningar (tunneling atomic force microscopy), vilket gjorde det möjligt för oss att avgöra vilken typ av dislokationer som kan finnas i våra prover.
Hög värmeledningsförmåga
SiC är känt för sin utmärkta värmeledningsförmåga, vilket gör att det kan sprida värme mer effektivt och förlänga elektroniska enheters prestanda och livslängd. Tillsammans med sin höga eldfasthetstemperatur och styvhet är SiC ett idealiskt material för applikationer som kräver motståndskraft mot värme samtidigt som det ger exceptionell värmeavledningsförmåga i miljöer med hög driftstress, t.ex. sensorenheter i rymden eller strålningshärdig elektronik.
Kiselkarbidens struktur på atomnivå är avgörande för dess egenskaper. Flera faktorer påverkar dess värmeledningsförmåga, t.ex. gitterets syre-/kväveinnehåll, porositet, kornstorleksfördelning och fasomvandling - men en djupgående förståelse av deras påverkan är fortfarande begränsad.
Denna studie presenterar den första systematiska mätningen av anisotropisk värmeledningsförmåga vid rumstemperatur i 3C-SiC bulkkristaller. De uppmätta k-värdena i planet är över 50% högre än de som rapporterats för kommersiellt tillgängliga 6H-SiC- och AlN-kristaller; och rankas näst högst bland stora kristaller av något material. För att genomföra sina mätningar använde författarna ett BO-TDTR-instrument med modulationsfrekvens 1,9 MHz och 10x objektivlins.
CVD SiC, även känt som chemical vapor deposition-grown silicon carbide, är en polykristallin kubisk form av kiselkarbid med ett brett bandgap och hög genomslagsspänning, vilket gör det till ett idealiskt material för kraftelektroniska enheter som arbetar vid högre temperaturer och spänningar. Dessutom gör dess exceptionellt låga värmeutvidgningskoefficient och höga eldfasthet SiC idealiskt för olika applikationer, inklusive teleskopspeglar i astronomiska teleskop.
Hög genomslagsspänning
Kiselkarbid (SiC) erbjuder många fördelar för kraftelektroniktillämpningar. Dess breda bandgap gör att enheterna kan fungera vid högre temperaturer och spänningar samtidigt som dess låga defekttäthet ökar prestandan - allt detta gör SiC till en attraktiv ersättning för kisel (Si). SiC:s unika materialegenskaper måste dock beaktas vid konstruktion och tillverkning av halvledarkomponenter som använder SiC; till exempel påverkar kristallstrukturen både prestanda och genombrottsspänning; vid konstruktion av dessa typer av komponenter varierar 4H-SiC och 6H-SiC i sina atomarrangemang vilket ger upphov till skillnader i fysiska och elektroniska egenskaper som måste beaktas vid konstruktion eller tillverkning för att säkerställa optimal användning när de utformas som ersättare för kiselkraftkomponenter.
Genomslagsspänningen i bipolära SiC-enheter beror på två variabler - tjockleken på det spänningsblockerande skiktet och dopningskoncentrationen. Tunnare blockeringsskikt ger lägre resistans medan mer högdopade skikt ökar genomslagsspänningen. Littelfuse utvecklade en rymdmodifierad JTE-struktur (Junction Termination Extension) med lämpliga dimensioner och dopningskoncentration för förbättrad prestanda hos bipolära SiC-transistorer.
För att öka genomslagsspänningen hos en bipolär transistor passiverades dess JTE-struktur med ett lager av SiO2 som deponerades och glödgades i NO. Detta förbättrade rekombinationen på ytan och möjliggjorde en maximal genomslagsspänning på 23 kV - vilket gör att en bipolär transistor nu kan användas i högeffektsapplikationer.
Låg resistivitet
Kiselkarbid är ett extremt hårt, kemiskt resistent material med överlägsen värmeledningsförmåga som används i elektronik och lysdioder (LED). Även om naturlig moissanit ibland kan förekomma i meteoriter, korundfyndigheter eller kimberliter, är den mesta kommersiella kiselkarbiden som säljs över hela världen syntetisk; dess höga hårdhet och temperaturbeständighet gör det till ett attraktivt materialval för teleskopspeglar.
Kiselkarbid finns i två huvudvarianter, alfa och beta. Alfaformen, med sin Wurtzite-kristallstruktur, är den överlägset mest populära typen, medan zinkblende är mindre populär. Fram till nyligen användes beta sällan kommersiellt för högtemperaturtillämpningar, men nu har det blivit ett attraktivt alternativ.
4H SiC och 6H-SiC skiljer sig främst åt i sina kristallstrukturer. Båda polytyperna har hexagonala kristallstrukturer, men det kan finnas subtila variationer mellan deras staplingssekvens av skikten och detta resulterar i olika gitterkonstanter och elektriska egenskaper mellan de två polytyperna.
4H-SiC kan ytterligare öka sin låga resistivitet genom att minska defekttätheten, antingen genom att minska föroreningskoncentrationerna eller genom tillväxtteknik vid låg temperatur, eller genom att optimera etsningsprocessen för att minimera användningen av giftiga HF-reagenser.
Hög termisk stabilitet
Kiselkarbid är ett halvledarmaterial med brett bandgap som klarar höga temperaturer och spänningar tack vare sin exceptionella termiska stabilitet. Det gör att materialet klarar även krävande applikationer som kraftelektronik. Kiselkarbidens höga elektronrörlighet möjliggör dessutom snabba växlingshastigheter, vilket gör det till ett utmärkt val för strömbrytare, dioder och likriktare.
Kiselkarbid finns i flera polytyper, var och en med unika egenskaper. Av dessa typer utmärker sig 4H-SiC genom sina exceptionella elektriska och mekaniska egenskaper; bland dessa varianter anses den vara en av de mest avancerade polytyperna på grund av sin hexagonala kristallgitterbildning medan 6H-SiC bildar ett kubiskt.
Föroreningar som finns i 4H-SiC har en enorm effekt på dess prestanda, men deras natur och inverkan är fortfarande dåligt förstådda. För att åtgärda detta gap utfördes första-principen-bildnings-energiberäkningar för att utveckla en omfattande databas över föroreningsplatser inom 4H-SiC; detta inkluderar information som gitterdistorsion, löslighetsnivåer, laddningsövergångsnivåer etc.
Sekundärjonmasspektrometri användes för att analysera djupprofiler av O-, B- och N-densiteter nära Si-substrat och tillväxtytor nära Si-substrat och tillväxtytor för 4H-SiC-prover och visade att de flesta föroreningar orsakade gitterexpansion medan endast B- och N-atomer ledde till gitterkontraktion på cirka 0,51%.
Swedish 
English