De ce carbura de siliciu este materialul de elecție pentru electronica de putere și aplicațiile aerospațiale

Carbura de siliciu (SiC) este unul dintre primii semiconductori cu bandă largă din lume, adesea ales pentru utilizarea în electronică de putere și aplicații aerospațiale care necesită performanțe robuste. Datorită tensiunii sale de rupere ridicate, proprietăților sale izolante și capacităților sale eficiente de conductivitate termică, SiC asigură o gestionare superioară a puterii.

Impuritățile joacă un rol esențial în modelarea proprietăților electrice și optice ale SiC. Calculele energiei de formare din primele principii furnizează informații esențiale privind caracteristicile impurităților, cum ar fi preferința locului, distorsiunea rețelei, solubilitatea etc.

Proprietăți electrice

Carbura de siliciu (SiC) este un material semiconductor avansat cu bandă largă care a devenit rapid coloana vertebrală a dispozitivelor electronice de putere. Datorită mobilității superioare a electronilor și a caracteristicilor vitezei de saturație a electronilor, SiC permite funcționarea eficientă la tensiuni și temperaturi ridicate, depășind cu mult capacitățile dispozitivelor convenționale din siliciu. Ca atare, SiC reprezintă o alegere excelentă de material atunci când este necesară o performanță robustă în medii operaționale dificile, cum ar fi vehiculele electrice (EV), sistemele de energie regenerabilă sau aplicațiile electronice aerospațiale.

Doparea 4H-SiC pentru adaptarea proprietăților sale electrice în vederea realizării acestor aplicații necesită modificarea proprietăților sale electrice prin intermediul unui proces denumit dopare. Doparea este o etapă integrală în producerea diodelor cu barieră Schottky (SBD), care oferă mai multe avantaje față de dispozitivele semiconductoare convenționale, inclusiv o viteză de comutare ultrarapidă și un curent de scurgere inversă redus. Din păcate, datorită faptului că este un material izolant, procesul de dopare poate deveni complicat.

Un nou studiu care utilizează calcule automate ale energiei de formare din primele principii urmărește să reducă complexitatea asociată dopajului 4H-SiC. În acest scop, cercetătorii au creat o bază de date de diagrame de energie de formare pentru ionii de impuritate găsiți în poliprotipurile 2H și 3H de SiC, furnizând detalii cu privire la preferințele lor în ceea ce privește locurile, nivelurile de distorsiune a rețelei, caracteristicile de solubilitate și nivelurile de tranziție de sarcină - informații care vor ajuta proiectanții de scheme de dopare personalizate pentru optimizarea proprietăților electrice ale 4H-SiC.

Determinarea politipului SiC care îndeplinește cel mai bine cerințele unei aplicații în ceea ce privește performanțele electrice, termice și mecanice depinde de cerințele individuale ale acesteia în materie de performanțe electrice, termice și mecanice. În timp ce 4H-SiC poate fi ideal pentru dispozitivele de putere, 6H-SiC excelează atunci când emisia de lumină și rezistența mecanică sunt criterii cheie.

Structurile cristaline ale fiecărui politip diferă ușor, însă proprietățile lor fizice rămân similare. Ambele politipuri au în comun o structură cristalină hexagonală; cu toate acestea, 4H-SiC prezintă o secvență de stivuire ABCB în comparație cu ABABAB a 6H-SiC, ceea ce duce la variații ale simetriei și constantelor de rețea care, în final, modifică proprietățile fizice ale ambelor politipuri.

Conductivitatea termică a 6H-SiC diferă ușor de cea a 4H-SiC, dar încă o depășește pe cea a siliciului, asigurând o disipare superioară a căldurii - o caracteristică esențială în menținerea stabilității și longevității dispozitivului în aplicații care implică un stres operațional ridicat. În plus, rezistența și duritatea inerente fac ca acest material să fie ideal pentru electronicele rezistente la radiații, rezistența sa jucând un rol esențial.

Proprietăți termice

Carbura de siliciu (SiC) este un semiconductor covalent cu o structură interstratificată compusă din atomi de carbon și siliciu. Tipurile de rețea variază în funcție de politipurile sale 3C, 4H și 6H pentru a produce proprietăți fizice și electrice diferite.

Politipul 6H-SiC este un material ideal pentru fabricarea dispozitivelor optoelectronice, datorită benzii sale largi care face posibile dispozitivele de emisie a luminii, cum ar fi LED-urile albastre și fotodetectoarele UV. În plus, proprietățile sale mecanice robuste, cum ar fi tenacitatea la fractură și rezistența la uzură, îl fac potrivit pentru dispozitive mecanice precum unelte de tăiere și componente de turbină.

4H-SiC este considerat pe scară largă unul dintre materialele ideale pentru electronica de mare putere și dispozitivele de putere de înaltă frecvență datorită intervalului de bandă larg, tensiunii de rupere excelente, densității scăzute a defectelor și conductivității termice superioare. În plus, compatibilitatea sa cu alte materiale semiconductoare, cum ar fi nitrurile de galiu (GaN), îi extinde și mai mult aplicațiile.

Impuritățile joacă un rol esențial în modelarea proprietăților electrice, optice și mecanice ale carburii de siliciu (SiC).1-5 O cunoaștere aprofundată a caracteristicilor impurităților, cum ar fi preferința locului, distorsiunea rețelei, solubilitatea, nivelurile de tranziție a sarcinii (CTL) și preferința locului, este necesară pentru proiectarea dispozitivelor cu caracteristicile de performanță dorite.

Utilizând calcule de formare a energiei din primele principii, am creat o bază de date exhaustivă a energiilor de formare a SiC pentru diferite specii de impurități în 4H-SiC, oferind o perspectivă valoroasă asupra energeticii care stă la baza influenței impurităților asupra proprietăților sale electrice.

Această lucrare oferă o înțelegere cantitativă a modului în care dopajul cu impurități afectează proprietățile electrice ale 4H-SiC. Mai precis, metodologia sa de calcul oferă un mijloc de a examina modul în care locațiile și concentrația dopanților afectează structurile electronice de bandă, caracteristicile de dispersie a fononilor, nivelurile de densitate a defectelor din SiC.

Acest studiu reprezintă un pas important către crearea unui model termodinamic mai complet al SiC-ului tăiat cu ioni. Atingerea unui astfel de obiectiv va permite predicții mai precise și mai exacte ale daunelor cauzate de iradiere, precum și o proiectare experimentală și o interpretare a rezultatelor mai informate. În plus, astfel de modele predictive ar putea fi apoi aplicate altor materiale WBG pentru a asigura utilizarea în siguranță în cadrul aplicațiilor tehnologice.

Proprietăți mecanice

Proprietățile mecanice ridicate ale SiC îi permit să fie utilizat într-un spectru larg de aplicații, de la electronică de putere și senzori care funcționează fiabil în condiții extreme până la utilizarea sa ca material cu conductivitate termică excelentă. SiC este un material ideal pentru dispozitivele de putere de înaltă frecvență datorită bandgap-ului său larg, tensiunii de rupere ridicate și densității scăzute a defectelor, precum și proprietăților sale excelente de conductivitate termică care disipă rapid electricitatea, în timp ce rezistența sa la acizi și alcalii îl face potrivit pentru medii dificile.

4H-SiC iese în evidență printre poliptipurile de carbură de siliciu deoarece are un modul de elasticitate deosebit de mare, ceea ce înseamnă că poate rezista la solicitări semnificative fără să cedeze la deformare. Această proprietate face din 4H-SiC o alegere excelentă de material pentru componentele și componentele electronice de putere la temperaturi ridicate, precum și pentru aplicații auto, pe lângă faptul că oferă o rezistență excelentă la fractură și stabilitate la temperatură pentru echipamente industriale și motoare de aeronave.

Proprietățile mecanice impresionante ale 4H-SiC îi permit să fie utilizat în numeroase aplicații de prelucrare de precizie și ultraprecizie, inclusiv metode chimice și mecanice de rectificare. Metodele chimice implică gravarea suprafeței plachetei înainte de curățarea cu acetonă înainte de începerea șlefuirii mecanice; șlefuirea mecanică utilizează o roată legată cu diamant și rășină.

Pentru a explora comportamentul mecanic al monocristalului 4H-SiC, au fost efectuate în mod sistematic diverse teste de zgârieturi nanometrice cu sarcini variate utilizând un sistem de nanoindentare echipat cu un indentor Berkovich. Rezultatele au demonstrat că caracteristicile de îndepărtare a materialului și formarea fisurilor variază în funcție de diferite planuri, direcții ale penetratorului și rate normale de încărcare.

A fost efectuat un experiment folosind o placă de SiC de tip p cu un strat epitaxial format din 375nm crescut pe un substrat de tip n cu o densitate de volum de 1018 cm-3, folosind diferite condiții experimentale și rate de încărcare pentru a analiza morfologia canelurii de zgâriere sub observație SEM și FIB. Direcția de înaintare a marginii s-a dovedit a fi mai potrivită decât direcțiile de înaintare a feței sau a feței laterale, deoarece a inițiat mai devreme faza de îndepărtare ductilă, extinzând astfel gama de ductilitate și crescând capacitatea de prelucrare a monocristalului 4H-SiC.

Proprietăți chimice

Carbura de siliciu (SiC) este un material semiconductor compus din siliciu și carbon, oferind proprietăți termice, mecanice și electrice excelente pentru a înlocui siliciul în dispozitivele semiconductoare de înaltă performanță. În special, SiC oferă avantaje care nu sunt disponibile în cazul siliciului, cum ar fi o intensitate a câmpului electric de rupere de 10 ori mai mare și goluri de bandă mai largi decât materialul său concurent.

SiC există sub formă de diferite structuri cristaline polimorfe, cunoscute sub denumirea de politipuri, fiecare având propriul set de caracteristici fizice. 4H-SiC este una dintre formele cele mai frecvent întâlnite, având o structură cristalină hexagonală similară Wurtzitei, care se formează la temperaturi de peste 1700 de grade C și este adesea preferată pentru dispozitivele de putere, deoarece banda sa de energie și tensiunea de rupere permit funcționarea eficientă a dispozitivului.

4H-SiC se deosebește de alte politipuri de SiC prin faptul că concentrația ridicată de atomi de azot îl face potrivit pentru producerea de dispozitive semiconductoare de tip n. O varietate de tehnici de dopare pot fi aplicate la 4H-SiC pentru a induce doparea, cum ar fi implantarea cu fascicul de ioni, implantarea ionică la temperatură joasă și implantarea ionică cu fascicul de electroni la cald - cea mai mare parte a dopării fiind realizată prin implantare în regiunea de tip n.

Datorită stabilității sale la temperaturi ridicate, 4H-SiC este un material fantastic pentru producerea de electronice și senzori la temperaturi ridicate. Acestea includ aplicații precum amplificatoare RF pentru stațiile de bază ale telefoanelor mobile, sisteme radar și termocupluri la temperaturi ridicate; în plus, conductivitatea termică ridicată și tensiunea de rupere îl fac potrivit pentru producția de componente electronice auto.

4H-SiC este un substrat ideal pentru diodele emițătoare de lumină (LED) albastră și ultravioletă. Bandgap-ul său larg îi permite să producă LED-uri cu densitate de curent scăzută și viteză de saturație ridicată și chiar versiuni de mare putere care pot fi instalate în mașini, turbine eoliene sau surse de alimentare.

Distorsiunea rețelei indusă de impurități în 4H-SiC poate fi ilustrată cu ajutorul figurii de mai jos. Barele albastru cer, albastru închis și verde reprezintă nivelurile de tranziție de sarcină în care impuritățile ocupă siturile Si, C sau interstițiale, respectiv. Ge este una dintre puținele impurități de tip p neelectric active care pot fi introduse fără a crește expansiunea rețelei; pe de altă parte, Al și impuritățile din grupul VA au proprietăți amfoterice care ar putea provoca contracția.