Kiselkarbid 4H och 6H Polytyper

Kiselkarbid är ett spännande material med olika polytyper, där 4H och 6H är mest framträdande för halvledartillämpningar. Var och en har unika egenskaper och kristallstrukturer.

Dessa kubformade gitter kan båda ha kubformade gitter, men skiljer sig ändå väsentligt åt. Deras olika strukturer gör att de kan användas för olika ändamål.

Fördelar

Kiselkarbid (SiC) är ett enastående halvledarmaterial med imponerande prestanda och hållbarhet, vilket ger det fördelar jämfört med andra material i olika applikationer. SiC har högre elektrisk fältstyrka vid genombrott och högre värmeledningsförmåga än kisel, vilket gör det lämpligt för högeffektsenheter. Dessutom har SiC breda bandgapsegenskaper samt elektriska egenskaper som hög mättad elektronrörlighet och hållfasthet mot spänningsgenombrott; plus starka mekaniska egenskaper inklusive brottseghet som gör det till ett populärt val bland skärverktygstillverkare och lagertillverkare.

SiC är ett idealiskt material för att ersätta kisel i högtemperaturapplikationer som fordonsmotorer och kraftelektronik tack vare sin unika kombination av egenskaper. Med sitt breda bandgap möjliggörs mer värmeavledning samtidigt som energiförlusterna minskar och effektiviteten förbättras. Dessutom har SiC mycket högre elektrisk fältstyrka vid nedbrytning, vilket möjliggör mindre och mer effekttäta enheter.

Kiselkarbid finns i många olika varianter, var och en med sina egna fördelar och nackdelar. Genom att välja rätt polytyp för din applikation kan du säkerställa optimal prestanda och tillförlitlighet. 3C-SiC skiljer sig atomärt från 4H- och 6H-SiC och därmed varierar dess bearbetningsegenskaper i enlighet därmed.

SiC:s atomstruktur bestämmer dess övergripande egenskaper. Till exempel gör det breda bandgapet det till ett utmärkt material för ljusemitterande enheter som lysdioder och UV-fotodetektorer, samtidigt som det ökar strålningsbeständigheten. Dessutom har SiC överlägsna mekaniska egenskaper som brottseghet och hårdhet för ökad livslängd hos enheterna.

Tillämpningar

SiC är mycket uppskattat för sitt breda bandgap, sin robusta termiska stabilitet och sina exceptionella elektriska och mekaniska egenskaper - egenskaper som gör det väl lämpat för en rad olika tillämpningar, allt från ljusemitterande enheter till mekaniska komponenter som måste klara tuffa miljöer. Dessutom fortsätter SiC-tekniken att utvecklas, vilket ytterligare breddar dess användningsområden inom avancerad elektronik och mekaniska applikationer.

De elektriska egenskaperna hos halvledarmaterial beror både på deras kristallstruktur och på eventuella dopämnen som kan tillsättas som dopämnen, vilka fungerar som substitutionsföroreningar som fyller lediga gitterplatser. I kiselkarbid används vanligen N (n-typ), Al, Be, Ga och O (p-typ).

SiC är idealiskt för användning i kraftelektronik som arbetar med höga frekvenser tack vare sin kristallina struktur, höga elektronrörlighet och starka förmåga att motverka spänningsgenombrott. SiC tål dessutom höga temperaturer och strålningsexponering utan att försämras.

SiC är känt för sin överlägsna brottseghet och slitstyrka, vilket gör det till en utmärkt kandidat för mekaniska tillämpningar som skärverktyg och turbinkomponenter. SiC:s vibrationsabsorberande egenskaper, slagtålighet och lägre korrosionskänslighet gör det dessutom lämpligt för många andra användningsområden, t.ex. MEMS-enheter eller optiska displayer med MEMS-funktioner; och MEMS-applikationer på grund av dess höga transparens gör materialet ännu mer idealiskt. På samma sätt är SiC ett attraktivt materialval i biomedicinska tillämpningar, eftersom det kan motstå kemiska eller fysiska stressfaktorer utan att leda till avstötningsreaktioner som annars skulle kunna uppstå med andra material eller enheter än det.

Bearbetning

Kiselkarbid är ett utmärkt material för MEMS-tillämpningar tack vare sina exceptionella fysikaliska och kemiska egenskaper, inklusive hög draghållfasthet, låg värmeutvidgningskoefficient och utmärkt kemisk inertitet. Som ett elektroniskt kopplingsmaterial med överlägsen temperaturtålighet och effekttäthetsprestanda; strålningshärdighet gör att det kan fungera som första nivåns beklädnad i ATTR-bränsle (accident tolerant nuclear reactor) och viktig strukturell väggkomponent i framtida fusionsreaktorer [1].

Kiselkarbid är en halvledare med brett bandgap och hög mättad elektronrörlighet, vilket ger utmärkta strålningshärdade detektorprestanda tack vare dess långa bärarlivslängd och låga punktdefektkoncentration - viktiga komponenter för noggrann mätning av strålningspartikelns energiupplösning [2].

SiC kan förekomma i många olika kristallstrukturer, så kallade polytyper. Varje polytyp skiljer sig åt i sin staplingssekvens och symmetri, vilket gör att vi kan välja den mest lämpliga polytypen för vår applikation. Vanliga SiC-polytyper för elektronikapplikationer inkluderar kubisk 3C-SiC, hexagonal 4H-SiC/6H-SiC och 15R-SiC.

Dessa polytyper kan odlas på ett oxiderat Si-substrat med hjälp av wafer bonding-teknik och sedan frikopplas via antingen jonskärning eller slipning för att erhålla SiC/SiO2-stackar för MEMS-tillverkning. Jonskärning är anpassad från kisel på isolator (SOI) -bildning medan slipning länge har använts i kiselnitridapplikationer.

Kostnad

Tillverkningsmetoderna för kiselkarbid kan ha blivit mer kostnadseffektiva med åren, men kräver fortfarande större kapitalinvesteringar än traditionella produktionsprocesser för halvledare. Att bilda kristaller med Lely-metoden kostar 1000 gånger mer än att använda Czochralski-processen för produktion av monokristallin polykisel - vilket bidrar väsentligt till högre MOSFET-priser.

Priset på 6H SiC kan också bestämmas av de råvaror och den utrustning som krävs för att skapa det, tillsammans med tillverkarens läge - nordamerikanska och europeiska tillverkare tar ofta ut högre priser än asiatiska för detta material. Dessutom kan de produktionsmetoder som används också ha en effekt på denna faktor - till exempel producerar Lely-processen renare kristaller än andra men kostar betydligt mer att driva.

Även om 6-tums wafers för närvarande är standard för kortsiktig produktion, anser experter att en övergång till 8-tums wafers kan vara nödvändig för att minska kostnaderna och öka effektiviteten - något som är särskilt viktigt på en marknad för elfordon där efterfrågan fortsätter att skjuta i höjden.

SiC är känt för att uppvisa en tetraedrisk struktur, bestående av sex atomer som är ordnade i tre konfigurationer för maximal tätpackning. Det finns många varianter av denna struktur, t.ex. staplingssekvens och skillnader mellan fem vanliga polytyper.