Карбид кремния против кремния: Сравнительное исследование полупроводников в высокотемпературных приложениях

1 Введение

С широким применением полупроводников в различных сферах производства и жизни, требования к характеристикам полупроводниковых материалов в различных сценариях использования становятся все более разнообразными. Во многих сферах применения полупроводниковые материалы должны работать при высоких температурах, что требует высокой термической стабильности, электрической стабильности и плотности мощности полупроводниковых материалов. В соответствии с этими требованиями карбид кремния (SiC) и кремниевые (Si) пластины привлекают внимание как полупроводниковые материалы со стабильной структурой и свойствами и хорошей термической стабильностью. Алмазная структура этих двух атомных кристаллов делает их чрезвычайно термически стабильными, и они могут выполнять больше полупроводниковых функций в высокотемпературных средах. В этой статье мы проанализируем различия в характеристиках и причины их эффективности в сценариях применения высокотемпературных полупроводников с точки зрения кристаллической структуры и физико-химических свойств, а также дадим рекомендации по выбору в сочетании с процессом приготовления и стоимостью.

2 Кристаллическая структура и свойства карбида кремния и кремниевой пластины

2.1 Кристаллическая структура и свойства карбида кремния

В соответствии с кристаллической структурой карбид кремния можно разделить на гексагональный α-карбид кремния и кубический β-карбид кремния. α-карбид кремния (α-SiC) является наиболее распространенным поликристаллическим типом, и в соответствии с расположением атомов он делится на 4H-SiC и 6H-SiC. В кристаллической структуре 4H-SiC атомы кремния и углерода расположены в чередующихся слоях, что формирует гексагональную структуру кристаллической решетки; в то время как в 6H-SiC она формирует чередующуюся гексагональную и тетрагональную структуру кристаллической решетки. Рисунок 1 иллюстрирует атомное расположение этих двух кристаллических структур.

Рис.1 Кристаллическая структура 4H-SiC (слева) и 6H-SiC (справа)

Для α-SiC некоторые свойства 4H-SiC и 6H-SiC немного отличаются из-за незначительных различий в их решеточных структурах. 4H-SiC имеет большой допуск на несоответствие решетки, который характеризует способность кристалла сохранять определенную степень стабильности и кристаллического качества даже при несовершенном соответствии между атомными расположениями в решетке и является важным параметром для описания пластичности и стабильности кристаллического материала под действием напряжения. Это важный параметр для описания пластичности и стабильности кристаллических материалов под действием напряжения. Сочетание большей устойчивости к рассогласованию решеток с более высокой напряженностью поля пробоя и лучшей электропроводностью приводит к повышению стабильности и надежности устройств на основе 4H-SiC, которые хорошо работают в мощной электронике и оптоэлектронике. Напротив, 6H-SiC обладает более высокой подвижностью электронов и более низким сечением захвата электронов, что обеспечивает 6H-SiC лучшие свойства переноса носителей, включая подвижность и время жизни.

Карбид β-кремния (β-SiC) можно представить как 3C-SiC в соответствии с атомным расположением, где каждый атом кремния окружен четырьмя атомами углерода и четырьмя соседними атомами кремния в кубической структуре решетки. На рисунке 2 показана структура его атомного расположения.

Рис.2 Кристаллическая структура 3C-SiC

По сравнению с β-SiC, α-SiC обладают лучшей экономической эффективностью и надежностью устройств, так как их кристаллические структуры обладают большей стабильностью, меньшей концентрацией примесей и меньшей плотностью дефектов, что позволяет им работать при высоких температурах, большой мощности и высоком напряжении. Что касается 3C-SiC, то его кристаллическая структура позволяет ему иметь самую высокую теоретическую скорость электронов, но он восприимчив к примесям, что приводит к появлению следов примесной коррозии. 3C-SiC обладает высокой подвижностью электронов и скоростью дрейфа электронов насыщения, а также низкой концентрацией примесей и токами утечки, что позволяет использовать его в мощной электронике, радиочастотных устройствах и т.д., но из-за разницы в структуре кристаллической решетки и материалах кремниевой подложки и поэтому не подходит для изготовления интегральных схем. Различные кристаллические структуры SiC обладают специфическими физико-химическими свойствами и кристаллической структурой, соответствующие параметры можно увидеть в таблице 1.

Таблица 1 Свойства кристаллов SiC с различными кристаллическими структурами

2.2 Кристаллическая структура и свойства кремния

Кристаллы кремния имеют типичную алмазную структуру: атомы кремния расположены эквидистантно, образуя кубическую решетку, а каждый атом кремния соединен с четырьмя окружающими атомами кремния ковалентными связями, образуя чрезвычайно стабильную орто-тетраэдрическую структуру, которая придает мономерам кремния высокую температуру плавления (1414°C) и термическую стабильность. На рисунке 3 схематично изображена структура кристалла кремния.

Рис.3 Кристаллическая структура Si

Каждый атом кремния в кристалле кремния соединен с четырьмя окружающими атомами кремния ковалентными связями, образуя стабильную кристаллическую структуру. Это делает кремний химически и термически стабильным, с температурой плавления около 1414 градусов Цельсия. Кремний также обладает высокой теплопроводностью - от 1,5 до 1,7 ватт на метр-кельвин (Вт/м-К), что делает его важным для отвода тепла и терморегулирования. Кремний - полупроводник с непрямой полосой пропускания, ширина полосы пропускания которого составляет около 1,1 электрон-вольт (эВ). При комнатной температуре кремний ведет себя как изолятор, но при возбуждении (например, при повышении температуры или приложении электрического поля) электроны могут переходить в полосу проводимости, превращаясь в полупроводник. В чистых кристаллах кремния концентрация электронов и дырок очень мала, поэтому он ведет себя как изолятор. Однако при легировании или приложении электрического поля можно ввести дополнительные свободные носители, в результате чего кремний приобретает проводимость полупроводника или проводника.

Рис.4 Диаграмма структуры энергетической полосы кристалла кремния

3 Чем SiC и Si лучше других полупроводниковых материалов

3.1 Проблемы, с которыми сталкиваются полупроводниковые материалы в высокотемпературных средах

При высоких температурах материалы подвержены тепловому напряжению и тепловому расширению, что приводит к нарушению кристаллической структуры и ухудшению свойств. Для полупроводниковых материалов, особенно таких, как кремний, термическая стабильность имеет решающее значение. Кристаллическая структура не только влияет на эксплуатационные характеристики устройства, но и может оказывать непосредственное влияние на работу и безопасность всего процесса. В то же время электрические свойства полупроводниковых материалов подвержены изменениям в высокотемпературных средах, например, проводимость, концентрация носителей и т.д. могут зависеть от температуры и изменяться, что может привести к снижению производительности электронных устройств или выходу их из строя. Кроме того, полупроводниковые материалы в высокотемпературных средах подвержены химическим реакциям с кислородом, водяным паром и т.д. в окружающей среде, что приводит к окислению поверхности материала, коррозии или диффузии примесей в материале и другим явлениям, влияющим на стабильность и срок службы устройства. Тепло, выделяемое внутри устройства, работающего в высокотемпературной среде, также может привести к повторному повышению температуры, что повлияет на производительность и стабильность устройства. Поэтому хорошие системы теплопроводности и отвода тепла имеют решающее значение для полупроводниковых устройств, работающих в высокотемпературных средах.

3.2 Преимущества и недостатки карбида кремния и кремния

3.2.1 Термические свойства

Температура плавления Si составляет около 1414 градусов Цельсия, а температура плавления SiC - около 2700 градусов Цельсия. Теплопроводность кремния составляет около 1,5-1,7 ватт на метр-кельвин (Вт/м-К). SiC имеет более высокую теплопроводность, обычно от 3 до 4,9 ватт на метр-кельвин (Вт/м-К), в зависимости от температуры и кристаллической структуры. Как показано на рисунке 5, теплопроводность карбида кремния в три раза выше, чем у кремния. С точки зрения способности противостоять высокотемпературным средам, SiC может выдерживать более высокие температуры, чем Si, и имеет более высокие показатели теплоотдачи, что может быть приоритетным при использовании чрезвычайно высокотемпературных требований.

Рис.5 Карбид кремния имеет в 3 раза более высокую теплопроводность, чем кремний

3.2.2 Фотоэлектрические свойства

SiC - широкополосный полупроводник с шириной полосы пропускания от 2,2 до 3,3 электронвольт (эВ). Si - узкополосный полупроводник с меньшей шириной полосы пропускания - около 1,1 электронвольт (эВ). Ширина полосы пропускания определяет проводящие свойства материала. Материалы с малой полосой пропускания обычно ведут себя как хорошие проводники или полупроводники, поскольку электроны могут относительно легко переходить в полосу проводимости и участвовать в проводящем поведении. Материалы с большей шириной полосы пропускания, напротив, обычно ведут себя как изоляторы, поскольку электронам требуется большая энергия для перехода в полосу проводимости, в результате чего при комнатной температуре в материалах мало свободных носителей. Ширина полосы пропускания также определяет оптические свойства материала, такие как поглощение, испускание и пропускание света. Материалы с меньшей шириной полосы пропускания обычно демонстрируют хорошие свойства поглощения света, поскольку они могут поглощать больше фотонов. Материалы с большими полосами пропускания, напротив, обычно прозрачны или полупрозрачны, поскольку могут поглощать только фотоны с энергией, превышающей ширину полосы пропускания. Эти разные свойства также определяют, что SiC и Si применяются в разных сценариях использования.

3.2.3 Механические свойства и химическая стабильность

Твердость SiC по шкале Мооса составляет около 9-9,5, что близко к твердости алмаза, в то время как твердость Si по шкале Мооса составляет около 7, что немного ниже, чем у SiC. Высокая твердость SiC обеспечивает ему хорошую устойчивость к истиранию и царапинам, что позволяет использовать его при изготовлении устройств, требующих устойчивости к истиранию. В то же время прочность SiC обычно выше, чем у Si. SiC имеет отличные показатели прочности на изгиб и растяжение и может выдерживать большие нагрузки без деформации или разрыва. SiC обладает хорошей химической стабильностью при комнатной температуре и не подвержен воздействию кислот, щелочей и растворителей, в то время как Si подвержен воздействию некоторых сильных окислителей и сильных кислот.

4 Различные сценарии применения карбида кремния и кремния

Учитывая различные свойства SiC и Si, вытекающие из их кристаллических структур, становится очевидным, как их применение соответствует их сильным сторонам.

SiC обладает исключительной термической стабильностью и устойчивостью к высоким температурам, что делает его идеальным для создания электронных устройств, работающих в экстремальных температурных условиях. Сферы применения включают силовые устройства, радиочастотные устройства и многое другое. Его надежная работа в высокотемпературных средах открывает возможности для удовлетворения потребностей таких отраслей, как силовая электроника, радиочастотная связь и автомобильная электроника. Кроме того, более широкая полоса пропускания SiC обеспечивает более высокое напряжение пробоя и меньшее сопротивление включения, что делает его особенно подходящим для производства мощных устройств, таких как силовые МОП-транзисторы и диоды.

С другой стороны, Si является одним из самых распространенных полупроводниковых материалов, который находит широкое применение в обычных электронных устройствах, таких как транзисторы, интегральные схемы и солнечные батареи. Он служит краеугольным материалом в микроэлектронике, пользуясь развитыми технологиями получения и методами обработки, которые обеспечивают высокий уровень интеграции и миниатюризации. Универсальность Si распространяется и на оптоэлектронные приложения, такие как светодиоды, лазеры, фотодетекторы и солнечные элементы, использующие его превосходные фотоэлектрические свойства и эффективность фотоэлектрического преобразования.

5 Заключение

По сравнению с кремнием, карбид кремния имеет более широкий спектр применения в сценариях с более высокими температурами, но из-за процесса подготовки и чистоты получаемого готового продукта кремниевые пластины по-прежнему являются более распространенным выбором в случаях, когда требования к температурной среде относительно низкие. Stanford Advanced Materials предоставляет высококачественные пластины из карбида кремния и кремниевые пластины для различных применений.

Связанное чтение:

Нагревательные элементы: Дисилицид молибдена против карбида кремния

Конкретный пример: Пластины из карбида кремния для передовых броневых решений

Прорыв подложки из карбида кремния в светодиодной промышленности

Ссылки:

[1]Fenglin G, Chen S, Xiufang C, et al. Модуляция формы из-за разницы подповерхностных повреждений на подложке N-типа 4H-SiC во время притирки и полировки[J]. Материаловедение в обработке полупроводников, 2022, 152.