構造の異なるSiC結晶の違い

炭化ケイ素（SiC）熱的、物理的、化学的安定性に優れ、従来の材料を超えた特性を示す材料です。その熱伝導率はなんと84W/(m・K)で、銅よりも高いだけでなくシリコンの3倍にもなります。これは、熱管理アプリケーションでの使用における大きな可能性を示しています。 SiCのバンドギャップはシリコンの約3倍であり、破壊電界強度はシリコンよりも一桁高い。これは、SiC が高電圧アプリケーションにおいてより高い信頼性と効率を提供できることを意味します。さらに、SiC は 2000°C の高温でも良好な導電性を維持でき、これはグラファイトに匹敵します。このため、高温環境において理想的な半導体材料となります。 SiCは耐食性も非常に優れています。表面に形成された SiO2 の薄い層はさらなる酸化を効果的に防ぎ、室温でほぼすべての既知の腐食剤に対して耐性を与えます。これにより、過酷な環境でも確実に使用できます。

結晶構造に関して言えば、SiC の多様性は 200 以上の異なる結晶形に反映されており、その特徴は結晶内で原子が密に詰め込まれている方法が多様であることに起因します。結晶形は数多くありますが、立方晶構造（閃亜鉛鉱構造）のβ-SiCと六方晶構造（ウルツ鉱構造）のα-SiCの2つに大別されます。この構造の多様性は、SiC の物理的および化学的特性を豊かにするだけでなく、研究者が SiC ベースの半導体材料を設計および最適化する際により多くの選択肢と柔軟性を提供します。

多くの SiC 結晶形の中で、最も一般的なものは次のとおりです。3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、および15R-SiC。これらの結晶形の違いは主に結晶構造に反映されます。 3C-SiCは立方晶炭化ケイ素とも呼ばれ、立方晶構造の特徴を示し、SiCの中で最も単純な構造です。六方晶構造の SiC は、原子配列の違いにより 2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC などにさらに分類できます。これらの分類は、結晶内に原子がどのように詰め込まれているか、また格子の対称性と複雑さを反映しています。

バンドギャップは、半導体材料が動作できる温度範囲と電圧レベルを決定する重要なパラメータです。 SiC のいくつかの結晶形の中で、2H-SiC は 3.33 eV の最も高いバンドギャップ幅を持ち、極限条件下での優れた安定性と性能を示しています。 4H-SiC がそれに続き、バンドギャップ幅は 3.26 eV です。 6H-SiC のバンドギャップは 3.02 eV とわずかに低く、3C-SiC のバンドギャップは 2.39 eV と最も低く、より低い温度と電圧でより広く使用されます。

正孔の有効質量は、材料の正孔移動度に影響を与える重要な要素です。 3C-SiC の正孔有効質量は 1.1m0 と比較的小さく、正孔移動度が良好であることを示しています。 4H-SiC の正孔有効質量は、六方晶構造のベース面では 1.75m0、ベース面に垂直な場合は 0.65m0 であり、異なる方向での電気特性の違いを示しています。 6H-SiC の正孔有効質量は 4H-SiC と同様ですが、全体的にわずかに小さく、キャリア移動度に影響を与えます。電子の有効質量は、特定の結晶構造に応じて、0.25 ～ 0.7m0 の範囲で変化します。

キャリア移動度は、電子と正孔が材料内で移動する速度の尺度です。 4H-SiC はこの点で優れた性能を発揮します。その正孔および電子の移動度は 6H-SiC よりも大幅に高いため、パワー エレクトロニクス デバイスにおける 4H-SiC のパフォーマンスが向上します。

総合性能の観点から、それぞれの結晶形はSiCには独自の利点があります。 6H-SiC は、その構造安定性と優れた発光特性により、光電子デバイスの製造に適しています。3C-SiC飽和電子ドリフト速度が高いため、高周波および高出力デバイスに適しています。 4H-SiC は、その高い電子移動度、低いオン抵抗、および高い電流密度により、パワー エレクトロニクス デバイスにとって理想的な選択肢となっています。実際、4H-SiC は、最高の性能、最高の商業化度、および最も成熟した技術を備えた第 3 世代の半導体材料であるだけでなく、高圧、高圧下でパワー半導体デバイスを製造するのに推奨される材料でもあります。温度および耐放射線環境。