Sự khác biệt giữa các tinh thể SiC có cấu trúc khác nhau

Cacbua silic (SiC)là vật liệu có độ ổn định nhiệt, vật lý và hóa học đặc biệt, thể hiện các đặc tính vượt xa các vật liệu thông thường. Độ dẫn nhiệt của nó đạt mức đáng kinh ngạc là 84W/(m·K), không chỉ cao hơn đồng mà còn gấp ba lần silicon. Điều này chứng tỏ tiềm năng to lớn của nó trong việc sử dụng trong các ứng dụng quản lý nhiệt. Khe cấm của SiC xấp xỉ ba lần so với silicon và cường độ điện trường đánh thủng của nó cao hơn silicon một bậc. Điều này có nghĩa là SiC có thể mang lại độ tin cậy và hiệu quả cao hơn trong các ứng dụng điện áp cao. Ngoài ra, SiC vẫn có thể duy trì tính dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao 2000°C, tương đương với than chì. Điều này làm cho nó trở thành vật liệu bán dẫn lý tưởng trong môi trường nhiệt độ cao. Khả năng chống ăn mòn của SiC cũng vô cùng vượt trội. Lớp SiO2 mỏng hình thành trên bề mặt của nó ngăn chặn hiệu quả quá trình oxy hóa thêm, khiến nó có khả năng chống lại hầu hết các chất ăn mòn đã biết ở nhiệt độ phòng. Điều này đảm bảo ứng dụng của nó trong môi trường khắc nghiệt.

Về cấu trúc tinh thể, tính đa dạng của SiC được phản ánh ở hơn 200 dạng tinh thể khác nhau, một đặc điểm được cho là do các cách đa dạng trong đó các nguyên tử được đóng gói dày đặc bên trong tinh thể của nó. Mặc dù có nhiều dạng tinh thể nhưng các dạng tinh thể này có thể được chia đại khái thành hai loại: β-SiC có cấu trúc lập phương (cấu trúc hỗn hợp kẽm) và α-SiC có cấu trúc lục giác (cấu trúc wurtzite). Sự đa dạng về cấu trúc này không chỉ làm phong phú thêm các tính chất vật lý và hóa học của SiC mà còn mang đến cho các nhà nghiên cứu nhiều sự lựa chọn và linh hoạt hơn khi thiết kế và tối ưu hóa vật liệu bán dẫn dựa trên SiC.

Trong số nhiều dạng tinh thể SiC, những dạng phổ biến nhất bao gồm3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC và 15R-SiC. Sự khác biệt giữa các dạng tinh thể này chủ yếu được phản ánh trong cấu trúc tinh thể của chúng. 3C-SiC, còn được gọi là cacbua silic khối, thể hiện các đặc điểm của cấu trúc hình khối và là cấu trúc đơn giản nhất trong số SiC. SiC có cấu trúc lục giác có thể được chia nhỏ thành 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC và các loại khác theo cách sắp xếp nguyên tử khác nhau. Những phân loại này phản ánh cách các nguyên tử được đóng gói bên trong tinh thể, cũng như tính đối xứng và độ phức tạp của mạng tinh thể.

Khoảng cách dải tần là thông số chính xác định phạm vi nhiệt độ và mức điện áp mà vật liệu bán dẫn có thể hoạt động. Trong số một số dạng tinh thể của SiC, 2H-SiC có độ rộng vùng cấm cao nhất là 3,33 eV, cho thấy độ ổn định và hiệu suất tuyệt vời của nó trong các điều kiện khắc nghiệt; 4H-SiC theo sát, với độ rộng vùng cấm là 3,26 eV; 6H-SiC có dải tần thấp hơn một chút là 3,02 eV, trong khi 3C-SiC có dải tần thấp nhất là 2,39 eV, khiến nó được sử dụng rộng rãi hơn ở nhiệt độ và điện áp thấp hơn.

Khối lượng hiệu dụng của lỗ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng di chuyển của vật liệu trong lỗ. Khối lượng hiệu dụng lỗ của 3C-SiC là 1,1m0, tương đối thấp, cho thấy khả năng di chuyển lỗ của nó là tốt. Khối lượng hiệu dụng lỗ trống của 4H-SiC là 1,75m0 trên mặt phẳng đáy của cấu trúc lục giác và 0,65m0 khi vuông góc với mặt phẳng đế, cho thấy sự khác biệt về tính chất điện của nó theo các hướng khác nhau. Khối lượng hiệu dụng lỗ trống của 6H-SiC tương tự như khối lượng lỗ trống của 4H-SiC, nhưng về tổng thể thấp hơn một chút, điều này có tác động đến khả năng di chuyển của vật mang của nó. Khối lượng hiệu dụng của electron thay đổi trong khoảng 0,25-0,7m0, tùy thuộc vào cấu trúc tinh thể cụ thể.

Độ linh động của hạt tải điện là thước đo tốc độ di chuyển của các electron và lỗ trống trong vật liệu. 4H-SiC hoạt động tốt về mặt này. Độ linh động lỗ trống và điện tử của nó cao hơn đáng kể so với 6H-SiC, điều này giúp 4H-SiC có hiệu suất tốt hơn trong các thiết bị điện tử công suất.

Từ góc độ hiệu suất toàn diện, mỗi dạng tinh thể củaSiCcó những ưu điểm riêng. 6H-SiC thích hợp để sản xuất các thiết bị quang điện tử do cấu trúc ổn định và đặc tính phát quang tốt.3C-SiCphù hợp với các thiết bị tần số cao và công suất cao do tốc độ trôi electron bão hòa cao. 4H-SiC đã trở thành lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị điện tử công suất do tính linh động của điện tử cao, điện trở thấp và mật độ dòng điện cao. Trên thực tế, 4H-SiC không chỉ là vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba có hiệu suất tốt nhất, mức độ thương mại hóa cao nhất và công nghệ trưởng thành nhất mà nó còn là vật liệu được ưa chuộng để sản xuất các thiết bị bán dẫn công suất ở áp suất cao, cường độ cao. môi trường chịu được nhiệt độ và bức xạ.