2. Электрофизические параметры карбида кремния
Карбид кремния, без всяких сомнений, уникальный полупроводниковый материал. По своим свойствам SiC опережает большую часть полупроводниковых материалов.
В современной электронике карбид кремния (SiC) используют по нескольким причинам, а именно:
1. Во-первых, большая, по сравнению с Si и GaAs, ширина запрещенной зоны – порядка 3,3 эВ, что означает больший диапазон рабочих температур (теоретически до ~1000°C), а также возможность создания приборов, излучающих во всем диапазоне видимого света.
2. Во-вторых, благодаря на порядок большему значению поля пробоя SiC, по сравнению с кремнием, при одном и том же значении напряжения пробоя уровень легирования SiC-диода может быть на два порядка выше, чем кремниевого. А следовательно, его последовательное сопротивление будет меньше и в итоге удельная мощность – больше. В этом же причина высокой радиационной стойкости SiC-приборов.
3. В-третьих, высокая теплопроводность (для поликристаллического SiC – на уровне теплопроводности меди), что упрощает проблему теплоотвода. Это свойство в сочетании с высокими допустимыми рабочими температурами и большими скоростями насыщения носителей (большие токи насыщения полевых транзисторов) делает SiC-приборы весьма перспективными для использования в силовой электронике.
4. В-четвертых, высокая температура Дебая, определяющая температуру, при которой возникают упругие колебания кристаллической решетки (фононы) с максимальной для данного материала частотой. Температуру Дебая можно рассматривать как параметр, характеризующий термическую стабильность полупроводника. При превышении этой температуры колебания могут стать неупругими и привести к разрушению материала.
5. В-пятых, наличие собственной (то есть изготовленной из того же материала, что и полупроводниковая структура) подложки большого размера. Что так же, как и возможность получения SiC n - и p - типов проводимости и наличие собственного окисла (SiO2), позволят изготавливать на основе SiC любые типы полупроводниковых приборов.
Рис. 4 – Сравнение основных электрофизических параметров кремния (Si) и карбида кремния (SiC)
Также,
более высокая теплопроводность карбида
кремния (4,9 Вт/м
К)
по сравнению с теплопроводностью нитрида
галлия (1,5 Вт/см
К)
или кремния (1,5 Вт/м
К)
означает, что устройства на основе
карбида кремния превосходят устройства
на основе нитрида галлия или кремния
по теплопроводности и теоретически
могут работать при большей удельной
мощности. Более высокая теплопроводность
вместе с широкой запрещённой зоной и
высокой критической напряжённостью
поля пробоя даёт полупроводникам карбида
кремния преимущество в тех случаях,
когда ключевой требуемой характеристикой
устройства является высокая мощность.
3. Область применения карбида кремния
1. Применение в электронике:
Карбид кремния был первым коммерчески важным полупроводниковым материалом. кристаллический радиоактивный детекторный диод из «карборунда» (синтетического карбида кремния) был запатентован Генри Харрисоном Чейзом Данвуди в 1906 году. Он нашел широкое применение в корабельных приемниках.
Полевые транзисторы на основе карбида кремния раскрывают новые применения при более высокой мощности и напряжении. В качестве прямой замены IGBT-транзисторов и кремниевых MOSFET-транзисторов, полевые транзисторы из карбида кремния демонстрируют работу с низким потерями при высоких температурах, низкое сопротивление в открытом состоянии на всём диапазоне температур и низкие потери при коммутации. MOSFET-транзисторы из карбида кремния, имея более высокие напряжения пробоя, лучшие показатели охлаждения и устойчивости к температуре, благодаря своим характеристикам могут изготавливаться физически компактными. IGBT-транзисторы (биполярные транзисторы с изолированным затвором) используются в первую очередь при коммутируемых напряжениях выше 600 В, но материалы на основе карбида кремния позволяют использовать MOSFET-транзисторы при напряжениях до 1700 В и более высоких токах. Также MOSFET-транзисторы на основе карбида кремния обладают значительно меньшими потерями при коммутации по сравнению с IGBT-транзисторами и работают при сравнительно более высоких частотах.
Явление электролюминесценции было открыто в 1907 году с использованием карбида кремния, и первые коммерческие светодиоды были основаны на SiC. Желтые светодиоды, изготовленные из 3C-SiC, производились в Советском Союзе в 1970-х годах, а синие светодиоды (6H-SiC) во всем мире в 1980-х годах.
Производство светодиодов вскоре прекратилось, когда появился другой материал, нитрид галлия показал в 10–100 раз более яркое свечение. Эта разница с непрямой запрещенной зоной SiC, тогда как GaN имеет прямую запрещенную зону, обеспечивающее световое излучение. Тем не менее, SiC по-прежнему является одним из важных компонентов светодиодов – это популярная подложка для выращивания устройств на основе GaN, а также служит теплораспределителем в мощных светодиодах.
2. Использование в производстве:
В современной гранильной мастерской карбид кремния является популярным абразивом из-за его прочности и низкой стоимости. В обрабатывающей промышленности из-за его высокой твёрдости он используется в абразивной обработке в таких процессах как шлифование, хонингование, водоструйная резка и пескоструйная обработка. Частицы карбида кремния ламинируются на бумагу для создания шлифовальной шкурки.
Суспензии мелкодисперсных порошков карбида кремния в масле, глицерине или этиленгликоле используются в процессе проволочной резки полупроводниковых монокристаллов на пластины.
3. Карбид кремния в ядерной энергетике:
Благодаря высокой устойчивости к воздействию внешних неблагоприятных факторов, включая природные, высокой прочности и твёрдости, низкому коэффициенту теплового расширения и низкому коэффициенту диффузии примесей и продуктов деления реакционноспечённый карбид кремния нашёл применение в ядерной энергетике.
Карбид кремния, наряду с другими материалами, используется в качестве слоя из триструктурально-изотропного покрытия для элементов ядерного топлива в высокотемпературных реакторах, в том числе в газоохлаждаемых реакторах.
Из карбида кремния изготавливаются пеналы для длительного хранения и захоронения ядерных отходов.
4. Производство графена:
SiC является идеальной подложкой для выращивания графена, потому что он имеет аналогичную кристаллическую структуру и постоянную решетки. Это позволяет графену расти эпитаксиально на SiC, что приводит к высококачественному графену с небольшим количеством дефектов.
5. Точная оптика:
Жесткость, высокая теплопроводность и низкий коэффициент теплового расширения делают карбид кремния термостабильным материалом в широком диапазоне рабочих температур. Это обуславливает широкое применение карбидкремниевых матриц для изготовления зеркальных элементов в различных оптических системах, например, в астрономических телескопах или в системах передачи энергии с использованием лазерного излучения. Развитие технологий (химическое осаждение паров) позволяет создавать диски из поликристаллического карбида кремния до 3,5 метров в диаметре. Заготовки зеркал могут формироваться различными методами, включая прессование чистого мелкого порошка карбида кремния под высоким давлением.