Was ist Siliziumkarbid?

Siliziumkarbid, besser bekannt als Carborundum, ist eine extrem harte chemische Verbindung, die bei unterschiedlichen Temperaturen sowohl metallische als auch isolierende Eigenschaften aufweist. Es wird in industriellen Anwendungen eingesetzt, die eine lange Lebensdauer erfordern.

Grünes SiC ist ein extrem hartes und korrosionsbeständiges keramisches Material, das erstmals 1891 von Edward Acheson durch die kombinierte Erhitzung von Quarzsand und Petrolkoks in einem speziellen Ofen synthetisiert wurde. Es zeichnet sich durch herausragende Eigenschaften wie gute Korrosionsbeständigkeit, hohe mechanische Festigkeit, geringe Wärmeausdehnung und bemerkenswerte Temperaturwechselbeständigkeit aus.

Intrinsische Leitfähigkeit

Siliziumkarbid (SiC) ist ein hervorragender Werkstoff, der sich durch eine hohe Festigkeit und Härte, chemische Inertheit, Temperaturwechselbeständigkeit und eine große Bandlücke auszeichnet. Dadurch eignet er sich für viele anspruchsvolle industrielle Anwendungen wie Gleitlager, Verschleißteile, Tiegel, Sinterhilfsmittel, Halbleiterkomponenten und Brennerdüsen.

In reiner Form wirkt SiC wie ein Isolator; durch kontrollierte Zugabe von Verunreinigungen oder Dotierstoffen kann es jedoch halbleitende Eigenschaften aufweisen. Aluminium-, Bor- oder Galliumdotierungen führen zu P-Halbleitern; die Zugabe von Phosphor- oder Stickstoffdotierungen führt zu N-Halbleitern. Ihre Fähigkeit, die Konzentration von Elektronen und Löchern zu verändern - die Differenz zwischen ihrer Anzahl in Leitungs- und Valenzbändern - steht in direktem Zusammenhang mit der Leitfähigkeit.

Die intrinsische Leitfähigkeit eines Halbleiters wird durch mehrere Faktoren bestimmt, darunter die Fermi-Energie, die Höhe der Valenz- und Leitungsbänder, die Mobilität der Elektronen im Leitungsband und die Ladung pro Elektron. Wenn mehr Atome im Valenzband an ihre übergeordneten Atomorbitale gebunden sind, haben sie eine niedrigere Fermi-Energie, so dass es unwahrscheinlicher ist, dass sie durch thermische Schwingungen des SiC-Gitters (Phononenemission) in die Leitung überführt werden. Bei Raumtemperatur sind die intrinsischen Ladungsträger gleichmäßig auf beide Bänder verteilt, mit einer gleichen Anzahl von Elektronen und Löchern pro Band, was insgesamt einen besseren Leiter ergibt.

Wenn es jedoch auf höhere Temperaturen erhitzt wird, wird sein Valenzband teilweise leer, da die Siliziumatome nicht mehr genügend thermische Schwingungen erfahren, um ihre Schwingungsmoden ausreichend anzuregen. Dies führt dazu, dass einige der Valenzelektronen in das Leitungsband übertreten und die Leitfähigkeit deutlich erhöhen.

Wenn die Temperatur weiter ansteigt, rekombinieren Elektronen und Löcher, bis bei der charakteristischen Temperatur eines Halbleiters ein Gleichgewichtspunkt erreicht ist. Die Leitfähigkeit kann durch elektrische Ströme oder elektromagnetische Strahlung weiter erhöht werden, um die Erzeugung und Rekombination von Elektronen-Loch-Paaren anzuregen, so dass elektronische Geräte wie Dioden und Transistoren mit höheren Spannungen und Frequenzen arbeiten können, ohne dass die Zuverlässigkeit beeinträchtigt wird.

Leitfähigkeit an Korngrenzen

Siliciumcarbid besitzt eine komplizierte Kristallstruktur mit zahlreichen Polytypen. Ein bestimmter Polytyp lässt sich anhand der Anzahl und der Lage der Kohlenstoffatome in den Schichten erkennen. Jede Stapelsequenz erzeugt aufgrund von Energieüberlegungen einzigartige Ausrichtungskombinationen (sowohl seitliche Verschiebungen als auch Drehungen sind möglich), was zu Hunderten von möglichen Konfigurationen pro Schicht in einer experimentellen SiC-Probe führt.

Um die Leitfähigkeit von SiC besser zu verstehen, ist es notwendig, alle möglichen Richtungen des Ladungstransports zu berücksichtigen. Zu diesem Zweck wurden komplexe Impedanzmessungen an Proben durchgeführt, deren Korngrenzen (GB) mittels EBSD-Analyse identifiziert und in ein Modell eingepasst wurden, das sowohl die Volumen- als auch die GB-Leitfähigkeit berücksichtigte; die Ergebnisse zeigen, dass die GB-Leitfähigkeit die dominierende Kraft ist, die die gesamten elektrischen Transporteigenschaften bei erhöhten Temperaturen bestimmt.

Die gB-Leitfähigkeit hängt stark von der Temperatur und der Korngröße ab, wobei das Abkühlungsverfahren und die an der Korngrenze vorhandenen Verunreinigungen ebenfalls einen Einfluss haben. Abbildung 5a veranschaulicht diese Beziehung durch den Vergleich der im Rahmen dieser Arbeit ermittelten ionischen Kornleitfähigkeit mit Literaturwerten für schmelzgegossene Keramiken. Es ist zu erkennen, dass die Übereinstimmung mit den Literaturwerten für schmelzgegossene Keramiken sehr gut ist; etwaige Abweichungen sind wahrscheinlich auf Unterschiede bei der Vorbereitung der Pelletproben für die Messung, eine ungenaue Impedanzanpassung oder falsche Berechnungen der Ersatzschaltbilder zurückzuführen.

Typischerweise nimmt die gB-Leitfähigkeit mit steigender Temperatur und mit dem Gehalt an Verunreinigungen ab; dieser Effekt ist bei reinen Materialien, die signifikante Mengen an zweiten Phasen enthalten, viel weniger ausgeprägt als bei solchen, die signifikante Mengen enthalten. Mit steigender Temperatur nimmt die Elektronenbeweglichkeit ab; es wird wahrscheinlicher, dass sie an gB-Strukturen hängenbleiben, die durch strukturelle Defekte behindert werden - dies erklärt, warum die Leitfähigkeit von hochreinem SiC tendenziell niedriger ist als die handelsüblicher Formen; um dies zu kompensieren, können elektrisch leitende Partikel der zweiten Phase bei niedrigen Temperaturen hinzugefügt werden und schließlich die gB-Leitfähigkeit auf ein Niveau senken, das den praktischen Anwendungsanforderungen entspricht.

Leitfähigkeit an Kornoberflächen

Siliciumcarbid, gemeinhin als SiC bezeichnet, umfasst eine äußerst vielfältige Gruppe von Materialien, die von Keramiken, die aus unreinen SiC-Kristalliten hergestellt werden, die mit verschiedenen Binern unter hoher Temperatur und hohem Druck miteinander verbunden werden, bis hin zu industriellen Wafern reichen, die durch chemische Gasphasenabscheidung oder Vakuumwachstum von SiC-Kristalliten hergestellt werden. Jede Art von Siliciumcarbid weist unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf, wie z. B. die elektrische Leitfähigkeit, was die Vorhersage seiner Leistung für bestimmte Anwendungen erschwert.

Die Leitfähigkeit ist eine Eigenschaft der atomaren Struktur, die durch die Zusammensetzung und die Korngröße des Materials bestimmt wird. Die Leitfähigkeit eines Siliciumcarbid-Zweikristalls kann durch die Zusammensetzung und Struktur der Korngrenzen sowie durch das Herstellungsverfahren beeinflusst werden. So kann die Leitfähigkeit des n-Typs von Sauerstoffverunreinigungen an der Grenzfläche zum nativen Oxid abhängen, was mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie und der nichtlinearen dielektrischen Rastermikroskopie (SNDM) beobachtet werden kann.

Ähnlich wie bei SiC kann halbleitendes SiC durch Dotierung mit Aluminium, Bor, Gallium oder Stickstoff p-Typ-Eigenschaften aufweisen, während eine Dotierung mit Stickstoff oder Phosphor zu n-Typ-Eigenschaften führt. Eine höhere Dotierung erhöht die elektrische Leitfähigkeit, doch muss bei Vorhersagen zur Gesamtleitfähigkeit von Materialien die zunehmende Oberfläche berücksichtigt werden.

Der Widerstand einer Korngrenze wird durch ihre atomare Struktur bestimmt, da Fluktuationen im periodischen Atompotenzial von benachbarten Kristallen dazu führen, dass Elektronen entlang der Grenze streuen und den Widerstand verringern. Da sich die Atome an den Korngrenzen aufgrund der engeren Abstände an den Grenzen tendenziell dichter anordnen, ist ihr Widerstand tendenziell größer als der Innenwiderstand; diese Enge trägt zur Bildung von Oxidmolekülen bei, die die Leitfähigkeit weiter verringern; dieser Effekt kann jedoch minimiert werden, indem sie so glatt und dicht wie möglich gestaltet werden.

Leitfähigkeit in Kornabständen

Siliciumcarbid (SiC) wird wegen seiner höheren Leitfähigkeit, Elektronenbeweglichkeit und geringeren Verlustleistung bei hohen Temperaturen in elektronischen Geräten häufig verwendet. Aufgrund dieser Eigenschaften lassen sich Bauelemente wie Schottky-Dioden und Transistoren, die elektrische Signale in elektronischen Schaltungen verstärken, schalten oder umwandeln, leichter herstellen als mit anderen Materialien.

SiC kann aufgrund des Korngrenzenwiderstands, der durch Änderungen des periodischen atomaren Potenzials im Vergleich zum SiC-Volumengitter verursacht wird, eine erhebliche Verschlechterung der Leitfähigkeit erfahren. Da die Elektronen in diesem Bereich mehrere Grenzen überqueren, können Potenzialänderungen zu einer Elektronenstreuung führen, die den Widerstand im Vergleich zu dem im Volumenmaterial deutlich erhöht.

Um dieses Phänomen zu verstehen, haben die Forscher die Auswirkungen von Kohlenstoff auf die Leitfähigkeit von SiC-Polykristallen und -Bikristallen untersucht. Im Rahmen ihres Experiments untersuchten sie einen polierten Bikristall, der 5 Gewichtsprozent Kohlenstoffzusatz enthielt, und analysierten mit Hilfe von Rastersondenmikroskopie-Nanoindentations-Beugungsmessungen die Oberflächenenergie sowohl dieser Probe als auch eines p-Typ-Einkristalls aus SiC. Zur weiteren Veranschaulichung wurden auch EBSD-aufgelöste Kornkartierungen, topografische Bilder des Ladungsträgertyps sowie topografische Bilder des Ladungsträgertyps und der Ladungsträgerkonzentration an beiden Proben durchgeführt.

Topografisch gesehen erschien die Oberfläche eines Bikristalls flach; Bilder der Ladungsträgerart und -konzentration zeigten jedoch einen dunklen Bereich in der Nähe der Korngrenze, der durch Ladungsträgerverarmungsschichten verursacht wurde, die durch Sc-Substitution in den Si-Orten des Gitters der SiC-Zusatzzusammensetzung während des Sinterns entstanden.

Die EBSD-Analyse bestätigte das Vorhandensein einer Verarmungsschicht und zeigte, dass ihre Zusammensetzung SiAlON- und b-Si3N4-Partikel in den Korngrenzen (GBs) enthielt. Außerdem entsprachen die s-Werte denen, die für SiC in der Masse gefunden wurden. Niedrige s-Werte deuten darauf hin, dass der größte Teil der Leitfähigkeit auf Phononenstreuung und nicht auf freie Elektronen zurückzuführen ist, was gut zu der Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit sowohl für unbehandelte als auch für C-SiC-Körper passt.