Siliziumcarbid (SiC) ist zu einem Grundstein für die nächste Generation von Leistungselektronik, Hochtemperaturanlagen und Hochfrequenzgeräten geworden.Was SiC einzigartig macht, ist, dass es sich in viele Polytypen kristallisieren kann – über 200 wurden identifiziert – obwohl sie alle die gleiche chemische Formel habenUnter ihnen:4H-SiCund6H-SiCWir haben die Kommission aufgerufen, uns mit der Frage zu befassen.

Von außen erscheinen sie ähnlich: Beide sind hexagonale Polytypen mit hoher Wärmeleitfähigkeit, starker kovalenter Bindung und breiten Bandbreiten.Subtile Unterschiede im atomaren Stapeln geben ihnen unterschiedliche elektronische Verhaltensweisen und bestimmen, wie sie in Halbleitergeräten verwendet werden.

Dieser Artikel gibt eine klare und originelle Erklärung, wie sich 4H-SiC und 6H-SiC in Kristallstruktur, physikalischen Eigenschaften und praktischen Anwendungen unterscheiden.

1. Warum SiC verschiedene Polytypen bildet

SiC besteht aus wechselnden Silizium- und Kohlenstoffschichten.StapelreihenfolgeDiese Stapelfolge erzeugt verschiedene Polytypen.

Eine einfache Analogie ist das Stapeln identischer Spielkarten in unterschiedlichen Offset-Mustern.

In SiC:

• Ein kurzes wiederholtes Muster erzeugt einen Polytyp wie4H,

• Während ein längeres Muster entsteht6H.

Selbst solche kleinen strukturellen Veränderungen reichen aus, um die Bandstruktur, die Energieniveaus und die Trägermobilität zu verändern.

2Vergleich der Kristallstruktur

4H-SiC

• Die Stapelfolge wiederholt sich alleVierSchichten

• Die Kristall-Symmetrie istSechseckig

• Die Gitterkonstante der C-Achse beträgt ungefähr10.1 Å

Da die Stapelfolge kürzer und gleichmäßiger ist, zeigt der entstehende Kristallweniger Anisotropieund mehr konsistente elektronische Eigenschaften entlang verschiedener Richtungen.

6H-SiC

• Die Stapelfolge wiederholt sich allesechsSchichten

• Hexagonale Kristall-Symmetrie

• Die Gitterkonstante der C-Achse beträgt ungefähr15.1 Å

Die längere Wiederholungsdistanz erzeugt mehrere nichtäquivalente Atomstellen, wodurch die Bandstruktur komplexer wird und zu richtungsabhängiger Trägermobilität führt.

3Bandgap und elektronische Eigenschaften

4H-SiC bietet:

• höhere Bandbreite

• höheres Aufschlüsselungsfeld

• schnellerer Elektronentransport

Diese Eigenschaften machen es besonders geeignet für Hochspannungs- und Hochfrequenzgeräte.

6H-SiC ist zwar immer noch ein breitbandreiches Material, zeigt aber aufgrund der komplexeren Stapelfolge eine geringere Mobilität.

4. thermische und mechanische Eigenschaften

Beide Polytypen teilen die gleichen starken kovalenten Si-C-Bindungen, wodurch sie:

• hohe Wärmeleitfähigkeit

• ausgezeichnete mechanische Festigkeit

• Strahlungsbeständigkeit und chemische Korrosion

Die Wärmeleitfähigkeit ist ähnlich:

• 4H-SiC ≈ 4,9 W/cm·K

• 6H-SiC ≈ 4,7 W/cm·K

Die Unterschiede sind zu gering, um die Auswahl der Geräte wesentlich zu beeinflussen.

5Anwendungen: Wo jeder Polytyp hervorragend ist

4H-SiC: Industriestandard für Leistungselektronik

4H-SiC ist in:

• MOSFETs

• Schottky-Dioden

• Leistungsmodule

• Schalter für Hochspannung

• Hochfrequenzumrichter

Seine überlegene Elektronenmobilität und das Abbaufeld verbessern direkt die Effizienz, Schaltgeschwindigkeit und thermische Robustheit des Geräts.

6H-SiC: Nische, aber immer noch wertvoll

6H-SiC wird in

• Mikrowellengeräte

• Optoelektronik

• Substrate für die GaN-Epitaxie

• UV-Fotodetektoren

• Spezialisierte Forschungsanwendungen

Da seine elektronischen Eigenschaften je nach Kristallrichtung variieren, ermöglicht es manchmal Materialverhaltensweisen, die mit 4H-SiC nicht erreichbar sind.

6Welchen Polytyp sollten Ingenieure wählen?

Wenn das Ziel lautet:

• höhere Spannung

• höhere Effizienz

• höhere Schaltfrequenz

• geringerer Leitverlust

Dann...4H-SiCist die klare Wahl.

Wenn der Antrag Folgendes betrifft:

• Versuchsmaterialienforschung

• Nischen-HF-Verhalten

• Kompatibilität mit älteren Geräten

Dann...6H-SiCbleibt nützlich.

7Schlussfolgerung.

Obwohl 4H-SiC und 6H-SiC dieselbe Elementenzusammensetzung haben, erzeugen ihre unterschiedlichen Stapelsequenzen unterschiedliche elektronische Landschaften.4H-SiC bietet eine überlegene Leistung6H-SiC spielt mittlerweile weiterhin eine wichtige Rolle in der spezialisierten Optoelektronik und im Bereich der HF.

Diese Struktur- und elektronischen Unterschiede zu verstehen, hilft Ingenieuren, das am besten geeignete Material für Halbleitergeräte der nächsten Generation auszuwählen.