Différences entre les cristaux de SiC de structures différentes

Carbure de silicium (SiC)est un matériau qui possède une stabilité thermique, physique et chimique exceptionnelle, présentant des propriétés qui vont au-delà de celles des matériaux conventionnels. Sa conductivité thermique est étonnante de 84 W/(m·K), ce qui est non seulement supérieur à celui du cuivre mais aussi trois fois supérieur à celui du silicium. Cela démontre son énorme potentiel d’utilisation dans les applications de gestion thermique. La bande interdite du SiC est environ trois fois supérieure à celle du silicium, et l'intensité de son champ électrique de claquage est d'un ordre de grandeur supérieur à celui du silicium. Cela signifie que le SiC peut offrir une fiabilité et une efficacité supérieures dans les applications haute tension. De plus, le SiC peut toujours maintenir une bonne conductivité électrique à des températures élevées de 2 000 °C, ce qui est comparable au graphite. Cela en fait un matériau semi-conducteur idéal dans les environnements à haute température. La résistance à la corrosion du SiC est également extrêmement exceptionnelle. La fine couche de SiO2 formée à sa surface empêche efficacement toute oxydation ultérieure, ce qui la rend résistante à presque tous les agents corrosifs connus à température ambiante. Cela garantit son application dans des environnements difficiles.

En termes de structure cristalline, la diversité du SiC se reflète dans ses plus de 200 formes cristallines différentes, une caractéristique attribuée à la diversité des manières dont les atomes sont densément emballés dans ses cristaux. Bien qu'il existe de nombreuses formes cristallines, ces formes cristallines peuvent être grossièrement divisées en deux catégories : le β-SiC à structure cubique (structure blende de zinc) et l'α-SiC à structure hexagonale (structure wurtzite). Cette diversité structurelle enrichit non seulement les propriétés physiques et chimiques du SiC, mais offre également aux chercheurs plus de choix et de flexibilité lors de la conception et de l'optimisation de matériaux semi-conducteurs à base de SiC.

Parmi les nombreuses formes cristallines de SiC, les plus courantes comprennent3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC et 15R-SiC. La différence entre ces formes cristallines se reflète principalement dans leur structure cristalline. Le 3C-SiC, également connu sous le nom de carbure de silicium cubique, présente les caractéristiques d'une structure cubique et constitue la structure la plus simple parmi le SiC. Le SiC à structure hexagonale peut être subdivisé en 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC et d'autres types selon différents arrangements atomiques. Ces classifications reflètent la façon dont les atomes sont emballés à l’intérieur du cristal, ainsi que la symétrie et la complexité du réseau.

La bande interdite est un paramètre clé qui détermine la plage de température et le niveau de tension dans lesquels les matériaux semi-conducteurs peuvent fonctionner. Parmi les nombreuses formes cristallines de SiC, le 2H-SiC possède la largeur de bande interdite la plus élevée, soit 3,33 eV, ce qui indique son excellente stabilité et ses performances dans des conditions extrêmes ; Le 4H-SiC suit de près, avec une largeur de bande interdite de 3,26 eV ; Le 6H-SiC a une bande interdite légèrement inférieure de 3,02 eV, tandis que le 3C-SiC a la bande interdite la plus faible de 2,39 eV, ce qui le rend plus largement utilisé à des températures et des tensions plus basses.

La masse effective des trous est un facteur important affectant la mobilité des matériaux. La masse effective du trou du 3C-SiC est de 1,1 m0, ce qui est relativement faible, ce qui indique que la mobilité du trou est bonne. La masse effective du trou du 4H-SiC est de 1,75 m0 sur le plan de base de la structure hexagonale et de 0,65 m0 lorsqu'elle est perpendiculaire au plan de base, montrant la différence de ses propriétés électriques dans différentes directions. La masse efficace du trou du 6H-SiC est similaire à celle du 4H-SiC, mais globalement légèrement inférieure, ce qui a un impact sur la mobilité de son porteur. La masse effective de l'électron varie entre 0,25 et 0,7 m0, en fonction de la structure cristalline spécifique.

La mobilité des porteurs est une mesure de la vitesse à laquelle les électrons et les trous se déplacent dans un matériau. Le 4H-SiC fonctionne bien à cet égard. Sa mobilité des trous et des électrons est nettement supérieure à celle du 6H-SiC, ce qui rend le 4H-SiC de meilleures performances dans les appareils électroniques de puissance.

Du point de vue de la performance globale, chaque forme cristalline deSiCa ses avantages uniques. Le 6H-SiC convient à la fabrication de dispositifs optoélectroniques en raison de sa stabilité structurelle et de ses bonnes propriétés de luminescence.3C-SiCconvient aux dispositifs haute fréquence et haute puissance en raison de sa vitesse de dérive élevée des électrons saturés. Le 4H-SiC est devenu un choix idéal pour les dispositifs électroniques de puissance en raison de sa mobilité électronique élevée, de sa faible résistance à l'état passant et de sa densité de courant élevée. En fait, le 4H-SiC n'est pas seulement le matériau semi-conducteur de troisième génération offrant les meilleures performances, le plus haut degré de commercialisation et la technologie la plus mature, il est également le matériau préféré pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs de puissance dans des environnements à haute pression et à haute température. température et environnements résistants aux radiations.