Карбид кремния (SiC) стал краеугольным материалом для силовой электроники следующего поколения, высокотемпературных систем и высокочастотных устройств. Уникальность SiC заключается в том, что он может кристаллизоваться во множество политипов — идентифицировано более 200, — несмотря на то, что все они имеют одинаковую химическую формулу. Среди них 4H-SiC и 6H-SiC являются безусловно наиболее важными с коммерческой точки зрения.

С внешней стороны они выглядят похожими: оба являются гексагональными политипами с высокой теплопроводностью, прочной ковалентной связью и широкой запрещенной зоной. Однако незначительные различия в атомной укладке придают им различные электронные свойства и определяют, как они используются в полупроводниковых приборах.

Эта статья дает четкое и оригинальное объяснение того, как 4H-SiC и 6H-SiC различаются по кристаллической структуре, физическим свойствам и практическому применению.

1. Почему SiC образует разные политипы

SiC состоит из чередующихся слоев кремния и углерода. Хотя каждый слой имеет одинаковое атомное расположение, их порядок укладки может меняться. Именно эта последовательность укладки создает разные политипы.

Простая аналогия — укладка одинаковых игральных карт в разные смещенные узоры. Карты не меняются, но общая форма меняется.

В SiC:

• короткий повторяющийся узор создает политип, такой как 4H,

• в то время как более длинный узор создает 6H.

Даже такие небольшие структурные изменения достаточны, чтобы изменить зонную структуру, уровни энергии и подвижность носителей.

2. Сравнение кристаллической структуры

4H-SiC

• Последовательность укладки повторяется каждые четыре слоев

• Симметрия кристалла гексагональная

• Постоянная решетки по оси C составляет примерно 10,1 Å

Поскольку его последовательность укладки короче и более однородна, результирующий кристалл проявляет меньшую анизотропию и более согласованные электронные свойства в разных направлениях.

6H-SiC

• Последовательность укладки повторяется каждые шесть слоев

• Гексагональная симметрия кристалла

• Постоянная решетки по оси C составляет примерно 15,1 Å

Более длинное расстояние повторения создает несколько неэквивалентных атомных узлов, что делает зонную структуру более сложной и приводит к зависящей от направления подвижности носителей.

3. Запрещенная зона и электронные свойства

4H-SiC предлагает:

• более широкую запрещенную зону

• более высокое поле пробоя

• более быструю транспортировку электронов

Эти характеристики делают его особенно подходящим для высоковольтных и высокочастотных устройств.

6H-SiC, хотя и остается материалом с широкой запрещенной зоной, показывает более низкую подвижность из-за более сложной последовательности укладки.

4. Тепловые и механические характеристики

Оба политипа имеют одинаковые прочные ковалентные связи Si–C, что обеспечивает:

• высокую теплопроводность

• отличную механическую прочность

• устойчивость к радиации и химической коррозии

Значения теплопроводности аналогичны:

• 4H-SiC ≈ 4,9 Вт/см·K

• 6H-SiC ≈ 4,7 Вт/см·K

Различия слишком малы, чтобы существенно повлиять на выбор устройства.

5. Применение: где каждый политип превосходит

4H-SiC: отраслевой стандарт для силовой электроники

4H-SiC доминирует в:

• MOSFET

• Диодах Шоттки

• Силовых модулях

• Высоковольтных переключателях

• Высокочастотных преобразователях

Его превосходная подвижность электронов и поле пробоя напрямую улучшают эффективность устройства, скорость переключения и термическую устойчивость. Вот почему почти все современные силовые устройства SiC основаны на 4H-SiC.

6H-SiC: нишевый, но все еще ценный

6H-SiC используется в:

• Микроволновых устройствах

• Оптоэлектронике

• Подложках для эпитаксии GaN

• УФ-фотодетекторах

• Специализированных исследовательских приложениях

Поскольку его электронные свойства варьируются в зависимости от направления кристалла, он иногда позволяет достичь свойств материала, недостижимых с 4H-SiC.

6. Какой политип должны выбрать инженеры?

Если цель:

• более высокое напряжение

• более высокая эффективность

• более высокая частота переключения

• меньшие потери проводимости

тогда 4H-SiC — очевидный выбор.

Если приложение включает в себя:

• экспериментальные исследования материалов

• нишевое поведение в радиочастотном диапазоне

• совместимость с устаревшими устройствами

тогда 6H-SiC остается полезным.

7. Заключение

Хотя 4H-SiC и 6H-SiC имеют одинаковый элементный состав, их разные последовательности укладки создают различные электронные ландшафты. Для современной силовой электроники 4H-SiC обеспечивает превосходную производительность и стал доминирующим политипом в отрасли. Между тем, 6H-SiC продолжает играть важную роль в специализированных оптоэлектронных и радиочастотных областях.

Понимание этих структурных и электронных различий помогает инженерам выбрать наиболее подходящий материал для полупроводниковых устройств следующего поколения.