Карбід кремнію (SiC) - один з найкращих у світі широкозонних напівпровідників, який часто обирають для використання в силовій електроніці та аерокосмічній галузі, де потрібні надійні характеристики. Завдяки високій пробивній напрузі, ізоляційним властивостям та ефективній теплопровідності SiC забезпечує чудове керування живленням.
Домішки відіграють важливу роль у формуванні електричних та оптичних властивостей SiC. Першопринципні розрахунки енергії утворення надають ключову інформацію про властивості домішок, такі як переважне розміщення, спотворення кристалічної ґратки, розчинність тощо.
Електричні властивості
Карбід кремнію (SiC) - це сучасний широкозонний напівпровідниковий матеріал, який швидко став основою силових електронних пристроїв. Завдяки своїй чудовій рухливості електронів і характеристикам швидкості електронів насичення, SiC забезпечує ефективну роботу при підвищених напругах і температурах, що значно перевищують можливості звичайних кремнієвих приладів. Таким чином, SiC є чудовим матеріалом, коли потрібна надійна робота в суворих умовах експлуатації, наприклад, в електромобілях, системах відновлюваної енергетики або аерокосмічній електроніці.
Для того, щоб пристосувати 4H-SiC до цих застосувань, необхідно змінити його електричні властивості за допомогою процесу, який називається легуванням. Легування є невід'ємним етапом у виробництві діодів з бар'єром Шотткі (SBD), які мають ряд переваг над звичайними напівпровідниковими приладами, включаючи надшвидку швидкість перемикання і низький зворотний струм витоку. На жаль, через те, що це ізоляційний матеріал, процес легування може бути складним.
Нове дослідження з використанням автоматизованих першопринципних розрахунків енергії утворення має на меті зменшити складність, пов'язану з легуванням 4H-SiC. З цією метою вони створили базу даних діаграм "утворення-енергія" для домішкових іонів, знайдених у 2H і 3H політипах SiC; надали детальну інформацію щодо їхніх переваг, рівнів спотворення кристалічної решітки, характеристик розчинності та рівнів переходу заряду - інформацію, яка допоможе розробникам індивідуальних схем легування для оптимізації електричних властивостей 4H-SiC.
Визначення того, який політип SiC найкраще відповідає вимогам застосування з точки зору електричних, теплових і механічних характеристик, залежить від його індивідуальних вимог до електричних, теплових і механічних характеристик. У той час як 4H-SiC може бути ідеальним для силових пристроїв, 6H-SiC перевершує його, коли ключовими критеріями є випромінювання світла і механічна стійкість.
Кристалічні структури кожного політипу дещо відрізняються, проте їхні фізичні властивості залишаються подібними. Обидва політипи мають гексагональну кристалічну структуру, однак 4H-SiC має послідовність укладання ABCB, а 6H-SiC - ABABAB, що призводить до варіацій у симетрії та константах кристалічної решітки, які в кінцевому підсумку змінюють фізичні властивості обох політипів.
Теплопровідність 6H-SiC дещо відрізняється від 4H-SiC, але все одно перевищує теплопровідність кремнію, забезпечуючи чудове розсіювання тепла, що є важливою характеристикою для підтримки стабільності та довговічності пристрою в умовах високих експлуатаційних навантажень. Крім того, властиві йому міцність і твердість роблять цей матеріал ідеальним для радіаційно-стійкої електроніки, оскільки його стійкість відіграє ключову роль.
Термічні властивості
Карбід кремнію (SiC) - це ковалентний напівпровідник з шаруватою структурою, що складається з атомів вуглецю та кремнію. Його політипи 3C, 4H і 6H відрізняються один від одного, що зумовлює різні фізичні та електричні властивості.
Політип 6H-SiC є ідеальним матеріалом для виготовлення оптико-електронних пристроїв завдяки широкій забороненої зоні, що робить можливим створення світловипромінювальних пристроїв, таких як сині світлодіоди та ультрафіолетові фотодетектори. Крім того, його міцні механічні властивості, такі як в'язкість на злам і зносостійкість, роблять його придатним для виготовлення механічних пристроїв, таких як ріжучі інструменти та компоненти турбін.
4H-SiC вважається одним з ідеальних матеріалів для потужної електроніки та високочастотних силових пристроїв завдяки своїй широкій забороненої зоні, відмінній пробивній напрузі, низькій щільності дефектів і чудовій теплопровідності. Крім того, його сумісність з іншими напівпровідниковими матеріалами, такими як нітрид галію (GaN), ще більше розширює його застосування.
Домішки відіграють важливу роль у формуванні електричних, оптичних і механічних властивостей карбіду кремнію (SiC).1-5 Досконале знання характеристик домішок, таких як перевага місця, спотворення кристалічної решітки, розчинність, рівні зарядового переходу (РЗП) і перевага місця, необхідне для проектування пристроїв з бажаними експлуатаційними характеристиками.
Використовуючи першопринципові розрахунки енергії утворення, ми створили вичерпну базу даних енергій утворення SiC для різних видів домішок у 4H-SiC, пропонуючи цінну інформацію про енергетичні причини впливу домішок на його електричні властивості.
Ця робота пропонує кількісне розуміння того, як домішкове легування впливає на електричні властивості 4H-SiC. Зокрема, методика розрахунку дозволяє дослідити, як розташування та концентрація домішок впливають на електронну зонну структуру, характеристики фононної дисперсії, рівні густини дефектів у SiC.
Це дослідження є важливим кроком на шляху до створення повнішої термодинамічної моделі іонного різання SiC. Досягнення цієї мети дасть змогу точніше і точніше прогнозувати пошкодження, спричинені опроміненням, а також більш обґрунтовано планувати експерименти та інтерпретувати результати. Крім того, такі прогнозні моделі можуть бути застосовані до інших матеріалів ВБГ для забезпечення безпечного використання в технологічних застосуваннях.
Механічні властивості
Високі механічні властивості SiC дозволяють застосовувати його в широкому спектрі застосувань, від силової електроніки та датчиків, які надійно працюють в екстремальних умовах, до використання його як чудового теплопровідного матеріалу. SiC є ідеальним матеріалом для високочастотних силових пристроїв завдяки своїй широкій забороненої зоні, високій пробивній напрузі і низькій щільності дефектів, а також чудовій теплопровідності, яка швидко розсіює електрику, а стійкість до кислот і лугів робить його придатним для використання в суворих умовах навколишнього середовища.
4H-SiC вирізняється серед політипів карбіду кремнію особливо високим модулем пружності, що означає, що він може витримувати значні навантаження, не піддаючись деформації. Ця властивість робить 4H-SiC чудовим матеріалом для високотемпературної силової електроніки та компонентів, а також для автомобільних застосувань, крім того, він пропонує чудову стійкість до руйнування та температурну стабільність для промислового обладнання та авіаційних двигунів.
Вражаючі механічні властивості 4H-SiC дозволяють використовувати його в численних прецизійних і надпрецизійних обробках, включаючи хімічні та механічні методи шліфування. Хімічні методи передбачають травлення поверхні пластини перед очищенням ацетоном до початку механічного шліфування; при механічному шліфуванні використовується круг на основі алмазної зв'язки.
Для дослідження механічної поведінки монокристалічного 4H-SiC систематично проводили різноманітні наноскребкові випробування при змінному навантаженні з використанням наноіндентора, оснащеного індентором Берковича. Результати показали, що характеристики зняття матеріалу та утворення тріщин змінюються залежно від різних площин, напрямків індентора та нормальної швидкості навантаження.
Експеримент було проведено з використанням пластини SiC p-типу з епітаксійним шаром 375 нм, вирощеним на підкладці n-типу з об'ємною густиною 1018 см-3, з використанням різних експериментальних умов і швидкостей навантаження для аналізу морфології подряпин під час спостереження за допомогою СЕМ і ФІБ. Напрямок "край вперед" виявився більш придатним, ніж напрямок "лицева сторона" або "бічна сторона", оскільки він ініціює фазу пластичного видалення раніше, таким чином розширюючи діапазон пластичності, підвищуючи оброблюваність монокристала 4H-SiC.
Хімічні властивості
Карбід кремнію (SiC) - це складний напівпровідниковий матеріал, що складається з кремнію та вуглецю, який має чудові термічні, механічні та електричні властивості і може замінити кремній у високопродуктивних напівпровідникових пристроях. Зокрема, SiC забезпечує переваги, недоступні кремнію, такі як у 10 разів вища напруженість електричного поля пробою та ширші заборонена зона, ніж у матеріалу-конкурента.
SiC існує у вигляді різних поліморфних кристалічних структур, відомих як політипи, кожен з яких має свій власний набір фізичних характеристик. 4H-SiC - одна з найпоширеніших форм, що має гексагональну кристалічну структуру, подібну до вюрциту, яка утворюється при температурі понад 1700 градусів і часто використовується в силових пристроях, оскільки її енергетична ширина забороненої зони та пробивна напруга забезпечують ефективну роботу пристрою.
4H-SiC відрізняється від інших політипів SiC високою концентрацією атомів азоту, що робить його придатним для виробництва напівпровідникових пристроїв n-типу. До 4H-SiC можна застосовувати різні методи легування, такі як іонна імплантація, низькотемпературна іонна імплантація та іонна імплантація гарячим електронним пучком, причому найбільше легування досягається за рахунок імплантації в області n-типу.
Завдяки своїй стабільності при високих температурах, 4H-SiC є фантастичним матеріалом для виробництва високотемпературної електроніки та датчиків. Сюди входять такі застосування, як радіочастотні підсилювачі для базових станцій стільникових телефонів, радарні системи та високотемпературні термопари; крім того, висока теплопровідність і пробивна напруга роблять його придатним для виробництва автомобільної електроніки.
4H-SiC є ідеальною підкладкою для синіх та ультрафіолетових світлодіодів (LED). Широка ширина забороненої зони дозволяє виробляти світлодіоди з низькою густиною струму і високою швидкістю насичення, і навіть потужні версії, які можна встановлювати в автомобілях, вітрогенераторах або джерелах живлення.
Індуковані домішками викривлення кристалічної ґратки в 4H-SiC можна проілюструвати за допомогою наведеного нижче рисунка. Небесно-блакитна, темно-синя і зелена смуги представляють рівні зарядового переходу, де домішки займають Si, C або інтерстиціальні ділянки відповідно. Ge є однією з небагатьох неелектрично активних домішок p-типу, які можна вводити без збільшення розширення гратки; з іншого боку, Al і домішки групи VA мають амфотерні властивості, які можуть викликати звуження гратки.