ความแตกต่างระหว่างผลึก SiC ที่มีโครงสร้างต่างกัน

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)เป็นวัสดุที่มีความคงตัวทางความร้อน กายภาพ และเคมีเป็นพิเศษ โดยแสดงคุณสมบัติที่เหนือกว่าวัสดุทั่วไป ค่าการนำความร้อนอยู่ที่ 84W/(m·K) อย่างน่าอัศจรรย์ ซึ่งไม่เพียงแต่สูงกว่าทองแดงเท่านั้น แต่ยังสูงกว่าซิลิคอนถึงสามเท่าอีกด้วย สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพมหาศาลสำหรับการใช้งานในการจัดการระบายความร้อน แถบความถี่ของ SiC มีค่าประมาณสามเท่าของซิลิคอน และความแรงของสนามไฟฟ้าที่พังทลายนั้นมีลำดับความสำคัญสูงกว่าซิลิคอน ซึ่งหมายความว่า SiC สามารถให้ความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพที่สูงขึ้นในการใช้งานไฟฟ้าแรงสูง นอกจากนี้ SiC ยังคงรักษาค่าการนำไฟฟ้าได้ดีที่อุณหภูมิสูงถึง 2000°C ซึ่งเทียบได้กับกราไฟท์ ทำให้เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ในอุดมคติในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ความต้านทานการกัดกร่อนของ SiC ก็โดดเด่นอย่างมากเช่นกัน ชั้นบางของ SiO2 ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวช่วยป้องกันการเกิดออกซิเดชันเพิ่มเติมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ทนทานต่อสารกัดกร่อนที่รู้จักเกือบทั้งหมดที่อุณหภูมิห้อง สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ถึงการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

ในแง่ของโครงสร้างผลึก ความหลากหลายของ SiC สะท้อนให้เห็นในรูปแบบผลึกที่แตกต่างกันมากกว่า 200 รูปแบบ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะที่มีสาเหตุมาจากวิธีการต่างๆ มากมายที่อะตอมถูกอัดแน่นอยู่ภายในผลึกของมัน แม้ว่าจะมีคริสตัลหลายรูปแบบ แต่รูปแบบคริสตัลเหล่านี้สามารถแบ่งคร่าวๆ ได้เป็นสองประเภท: β-SiC ที่มีโครงสร้างลูกบาศก์ (โครงสร้างสังกะสีผสม) และ α-SiC ที่มีโครงสร้างหกเหลี่ยม (โครงสร้างเวิร์ทไซต์) ความหลากหลายทางโครงสร้างนี้ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของ SiC เท่านั้น แต่ยังช่วยให้นักวิจัยมีทางเลือกและความยืดหยุ่นมากขึ้นในการออกแบบและเพิ่มประสิทธิภาพวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ ซิซี

ในบรรดาคริสตัล SiC หลายรูปแบบ รูปแบบที่พบบ่อยที่สุด ได้แก่3C-ซิซี, 4H-SiC, 6H-SiC และ 15R-SiC ความแตกต่างระหว่างรูปแบบผลึกเหล่านี้สะท้อนให้เห็นในโครงสร้างผลึกเป็นหลัก 3C-SiC หรือที่รู้จักกันในชื่อลูกบาศก์ซิลิคอนคาร์ไบด์ จัดแสดงคุณลักษณะของโครงสร้างลูกบาศก์และเป็นโครงสร้างที่ง่ายที่สุดในบรรดา SiC SiC ที่มีโครงสร้างหกเหลี่ยมสามารถแบ่งย่อยเพิ่มเติมได้เป็น 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC และประเภทอื่นๆ ตามการจัดเรียงอะตอมที่แตกต่างกัน การจำแนกประเภทเหล่านี้สะท้อนถึงวิธีการบรรจุอะตอมภายในคริสตัล ตลอดจนความสมมาตรและความซับซ้อนของโครงตาข่าย

ช่องว่างของแถบความถี่เป็นพารามิเตอร์หลักที่กำหนดช่วงอุณหภูมิและระดับแรงดันไฟฟ้าที่วัสดุเซมิคอนดักเตอร์สามารถทำงานได้ ในบรรดา SiC รูปแบบผลึกหลายรูปแบบ 2H-SiC มีความกว้างแบนด์แก็ปสูงสุดที่ 3.33 eV ซึ่งบ่งบอกถึงความเสถียรและประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมภายใต้สภาวะที่รุนแรง 4H-SiC ติดตามอย่างใกล้ชิด โดยมีความกว้างแถบความถี่ 3.26 eV; 6H-SiC มีแถบความถี่ที่ต่ำกว่าเล็กน้อยที่ 3.02 eV ในขณะที่ 3C-SiC มีแถบความถี่ต่ำสุดที่ 2.39 eV ทำให้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นที่อุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าต่ำ

มวลที่มีประสิทธิภาพของรูเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของรูของวัสดุ มวลที่มีประสิทธิภาพของรูเจาะของ 3C-SiC คือ 1.1m0 ซึ่งค่อนข้างต่ำ ซึ่งบ่งชี้ว่าการเคลื่อนที่ของรูนั้นดี มวลที่มีประสิทธิภาพของรูของ 4H-SiC คือ 1.75m0 บนระนาบฐานของโครงสร้างหกเหลี่ยม และ 0.65m0 เมื่อตั้งฉากกับระนาบฐาน ซึ่งแสดงความแตกต่างในคุณสมบัติทางไฟฟ้าในทิศทางที่ต่างกัน มวลที่มีประสิทธิผลของรูของ 6H-SiC นั้นคล้ายคลึงกับมวลของ 4H-SiC แต่โดยรวมจะต่ำกว่าเล็กน้อย ซึ่งส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของตัวพา มวลประสิทธิผลของอิเล็กตรอนจะแตกต่างกันไปในช่วง 0.25-0.7m0 ขึ้นอยู่กับโครงสร้างผลึกเฉพาะ

การเคลื่อนที่ของตัวพาคือการวัดความเร็วของอิเล็กตรอนและรูที่เคลื่อนที่ภายในวัสดุ 4H-SiC ทำงานได้ดีในเรื่องนี้ การเคลื่อนที่ของรูและอิเล็กตรอนนั้นสูงกว่า 6H-SiC อย่างมาก ซึ่งทำให้ 4H-SiC ประสิทธิภาพดีขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง

จากมุมมองของประสิทธิภาพที่ครอบคลุมแต่ละรูปแบบคริสตัลของซิซีมีข้อได้เปรียบที่เป็นเอกลักษณ์ 6H-SiC เหมาะสำหรับการผลิตอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากมีความเสถียรทางโครงสร้างและมีคุณสมบัติในการเรืองแสงที่ดี3C-ซิซีเหมาะสำหรับอุปกรณ์ความถี่สูงและกำลังสูงเนื่องจากมีความเร็วดริฟท์ของอิเล็กตรอนอิ่มตัวสูง 4H-SiC กลายเป็นตัวเลือกในอุดมคติสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง เนื่องจากมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูง ความต้านทานออนต่ำ และความหนาแน่นกระแสสูง ในความเป็นจริง 4H-SiC ไม่เพียงแต่เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามที่มีประสิทธิภาพดีที่สุด ระดับสูงสุดในเชิงพาณิชย์ และเทคโนโลยีที่เติบโตเต็มที่ที่สุดเท่านั้น แต่ยังเป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังที่มีแรงดันสูง แรงดันสูง อุณหภูมิและสภาพแวดล้อมที่ทนต่อรังสี