Introduction Introduction

Le carbure de silicium (SiC), en tant que matériau semi-conducteur à large bande, est largement utilisé dans les dispositifs électroniques à haute puissance, à haute fréquence et à haute température en raison de ses excellentes propriétés physiques et chimiques, telles que le champ électrique de rupture élevé, la conductivité thermique élevée, et la vitesse élevée de saturation d’électron. Les polytypes et les différentes orientations cristalliques du SiC présentent des caractéristiques de performance différentes dans des applications pratiques. La compréhension des différences entre ces structures et orientations cristallines est cruciale pour la conception et la fabrication de dispositifs SiC haute performance.

Structures cristallines en carbure de silicium

Le carbure de silicium présente plusieurs polytypes, tous basés sur les liaisons covalentes entre les atomes de silicium et de carbone. Cependant, des séquences d’empilement différentes donnent lieu à des structures cristallines distinctes. Les principaux polytypes SiC comprennent 4H-SiC, 6H-SiC et 3C-SiC, chacun avec des propriétés physiques uniques et des scénarios d’application.

1. 4H-SiC

4H-SiC appartient au système cristallin hexagonal et est le polytype le plus couramment utilisé de carbure de silicium. Dans sa structure cristalline, les couches Si-C se répètent toutes les quatre couches le long de l’axe c. Le 4H-SiC a un large espace de bande passante (~ 3,26 eV), avec des mobilités d’électrons et de trous relativement élevées, ce qui le rend particulièrement adapté aux appareils à haute fréquence et à haute puissance. En raison de ses excellentes propriétés électriques, 4H-SiC est devenu le matériau préféré pour les appareils électroniques de puissance.

2. 6H-SiC

6H-SiC fait également partie du système cristallin hexagonal, avec des couches Si-C répétées toutes les six couches le long de l’axe c. Bien que la mobilité électronique du 6H-SiC soit légèrement inférieure à celle du 4H-SiC, il présente une plus grande anisotropie cristalline, ce qui peut être avantageux dans certaines applications mécaniques et optiques. Alors que 6H-SiC est utilisé dans les appareils de haute puissance, son application est progressivement remplacée par 4H-SiC en raison de ce dernier ' S propriétés supérieures.

3. 3C-SiC (β-SiC)

3C-SiC appartient au système de cristal cubique, également connu sous le nom de β-SiC. Sa structure est similaire à celle du diamant, et parmi tous les polytypes SiC, 3C-SiC a la plus grande mobilité électronique. Cependant, il a un espace bande plus petit (~2.36 eV). En raison des défis que pose la culture de tranches de grande surface de haute qualité de 3C-SiC, ses applications sont principalement limitées aux dispositifs de systèmes microélectromécaniques (MEMS) et aux capteurs spécifiques.

Orientations cristallines de carbure de silicium

En plus des structures cristallines, l’orientation cristalline du carbure de silicium est également un facteur critique influençant les propriétés de ses matériaux. L’orientation cristalline fait référence à l’alignement relatif des plans cristallins sur un système de coordonnées externes. Différentes orientations de cristal influent sur la résistance mécanique, la réactivité chimique et la performance du dispositif du matériau. Dans le carbure de silicium, les orientations primaires du cristal comprennent:

1. (0001) Orientation (C-face)

L’orientation (0001) est l’une des orientations les plus courantes dans le carbure de silicium. La face c est perpendiculaire à l’axe c du système cristalline hexagonal, avec une densité atomique élevée et une bonne réactivité chimique, ce qui la rend idéale pour la croissance épitaxiale et la fabrication de dispositifs.

2. (11-20) Orientation (A-face)

L’orientation (11-20) a un plan cristallin parallèle à l’axe c et perpendiculaire à l’axe a. La face a peut offrir des avantages dans des processus de croissance épitaxiale spécifiques, bien que son traitement soit plus difficile, conduisant à une utilisation industrielle moins fréquente.

3. (1-100) Orientation (M-face)

L’orientation de la face m n’est parallèle ni à l’axe c ni à l’axe a, ce qui crée un alignement unique. Bien que cette orientation soit moins courante dans les substrats SiC, elle peut être utilisée dans certains dispositifs optoélectroniques ou des structures de dispositifs spécialisés.

4. (03-38) Orientation

L’orientation (03-38) est un plan semi-polaire, situé entre les orientations (0001) et (11-20). Cette orientation peut être choisie pour la croissance de matériaux tels que le nitrure de gallium (GaN) afin d’optimiser la qualité de la couche épitaxiale et les performances du dispositif.

Conclusion Conclusion

La structure cristalline et l’orientation deSubstrats en carbure de silicium Influencer considérablement les propriétés électriques, mécaniques et chimiques du matériau. En raison de ses excellentes propriétés, 4H-SiC est devenu le matériau principal pour les appareils électroniques de puissance, tandis que d’autres polytypes comme 6H-SiC et 3C-SiC ont leurs propres avantages dans des applications spécifiques. De plus, le choix de l’orientation du cristal est essentiel pour optimiser les performances de l’appareil. Par conséquent, une compréhension approfondie des différences entre les structures cristallines et les orientations du carbure de silicium est essentielle pour réaliser des dispositifs à haute performance.