Diferenças entre cristais de SiC com estruturas diferentes

Carboneto de silício (SiC)é um material que possui excepcional estabilidade térmica, física e química, apresentando propriedades que vão além das dos materiais convencionais. Sua condutividade térmica é de surpreendentes 84W/(m·K), que não é apenas superior à do cobre, mas também três vezes maior que a do silício. Isto demonstra seu enorme potencial para uso em aplicações de gerenciamento térmico. O bandgap do SiC é aproximadamente três vezes maior que o do silício, e a intensidade do campo elétrico de sua quebra é uma ordem de grandeza maior que a do silício. Isto significa que o SiC pode fornecer maior confiabilidade e eficiência em aplicações de alta tensão. Além disso, o SiC ainda pode manter boa condutividade elétrica em altas temperaturas de 2.000°C, o que é comparável ao grafite. Isso o torna um material semicondutor ideal em ambientes de alta temperatura. A resistência à corrosão do SiC também é extremamente notável. A fina camada de SiO2 formada na sua superfície evita eficazmente a oxidação adicional, tornando-o resistente a quase todos os agentes corrosivos conhecidos à temperatura ambiente. Isso garante sua aplicação em ambientes agressivos.

Em termos de estrutura cristalina, a diversidade do SiC reflete-se nas suas mais de 200 formas cristalinas diferentes, uma característica atribuída às diversas formas como os átomos são densamente compactados dentro dos seus cristais. Embora existam muitas formas cristalinas, essas formas cristalinas podem ser divididas aproximadamente em duas categorias: β-SiC com estrutura cúbica (estrutura blenda de zinco) e α-SiC com estrutura hexagonal (estrutura wurtzita). Esta diversidade estrutural não apenas enriquece as propriedades físicas e químicas do SiC, mas também proporciona aos pesquisadores mais opções e flexibilidade ao projetar e otimizar materiais semicondutores baseados em SiC.

Entre as muitas formas de cristal de SiC, as mais comuns incluem3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC e 15R-SiC. A diferença entre essas formas cristalinas reflete-se principalmente em sua estrutura cristalina. O 3C-SiC, também conhecido como carboneto de silício cúbico, apresenta as características de uma estrutura cúbica e é a estrutura mais simples entre o SiC. O SiC com estrutura hexagonal pode ser subdividido em 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC e outros tipos de acordo com diferentes arranjos atômicos. Essas classificações refletem a forma como os átomos são compactados dentro do cristal, bem como a simetria e a complexidade da rede.

O band gap é um parâmetro chave que determina a faixa de temperatura e o nível de tensão em que os materiais semicondutores podem operar. Entre as diversas formas cristalinas de SiC, o 2H-SiC possui a maior largura de bandgap de 3,33 eV, indicando sua excelente estabilidade e desempenho sob condições extremas; 4H-SiC segue de perto, com uma largura de bandgap de 3,26 eV; O 6H-SiC tem um bandgap ligeiramente inferior de 3,02 eV, enquanto o 3C-SiC tem o bandgap mais baixo de 2,39 eV, tornando-o mais amplamente utilizado em temperaturas e tensões mais baixas.

A massa efetiva dos furos é um fator importante que afeta a mobilidade dos furos dos materiais. A massa efetiva do furo do 3C-SiC é 1,1m0, o que é relativamente baixo, indicando que sua mobilidade do furo é boa. A massa efetiva do furo do 4H-SiC é de 1,75m0 no plano base da estrutura hexagonal e 0,65m0 quando perpendicular ao plano base, mostrando a diferença em suas propriedades elétricas em diferentes direções. A massa efetiva do buraco do 6H-SiC é semelhante à do 4H-SiC, mas ligeiramente inferior no geral, o que tem impacto na mobilidade do seu portador. A massa efetiva do elétron varia na faixa de 0,25-0,7m0, dependendo da estrutura cristalina específica.

A mobilidade do portador é uma medida da rapidez com que os elétrons e buracos se movem dentro de um material. O 4H-SiC tem um bom desempenho nesse aspecto. Sua mobilidade de buracos e elétrons é significativamente maior que a do 6H-SiC, o que torna o 4H-SiC melhor desempenho em dispositivos eletrônicos de potência.

Do ponto de vista do desempenho abrangente, cada forma de cristal deSiCtem suas vantagens únicas. O 6H-SiC é adequado para a fabricação de dispositivos optoeletrônicos devido à sua estabilidade estrutural e boas propriedades de luminescência.3C-SiCé adequado para dispositivos de alta frequência e alta potência devido à sua alta velocidade de deriva de elétrons saturados. O 4H-SiC tornou-se uma escolha ideal para dispositivos eletrônicos de potência devido à sua alta mobilidade eletrônica, baixa resistência e alta densidade de corrente. Na verdade, o 4H-SiC não é apenas o material semicondutor de terceira geração com o melhor desempenho, o mais alto grau de comercialização e a tecnologia mais madura, é também o material preferido para a fabricação de dispositivos semicondutores de potência em alta pressão e alta pressão. temperatura e ambientes resistentes à radiação.