Siliziumkarbid vs. Silizium: Eine vergleichende Studie zu Halbleitern in Hochtemperaturanwendungen

1 Einleitung

Mit der breiten Anwendung von Halbleitern in verschiedenen Aspekten der Produktion und des Lebens werden die Leistungsanforderungen an Halbleitermaterialien in unterschiedlichen Anwendungsszenarien immer vielfältiger. In vielen Anwendungsbereichen müssen Halbleitermaterialien bei hohen Temperaturen arbeiten, was eine hohe thermische Stabilität, elektrische Stabilität und Leistungsdichte der Halbleitermaterialien erfordert. Angesichts dieser Anforderungen haben Siliziumkarbid- (SiC) und Silizium- (Si) Wafer als Halbleitermaterialien mit stabiler Struktur und Eigenschaften und guter thermischer Stabilität Aufmerksamkeit erregt. Die Diamantstruktur dieser beiden Atomkristalle macht sie extrem thermisch stabil, und sie können in Hochtemperaturumgebungen mehr Halbleiterfunktionen übernehmen. In diesem Artikel werden wir die Leistungsunterschiede und die Gründe für ihre Leistung in Hochtemperatur-Halbleiteranwendungsszenarien aus der Perspektive der Kristallstruktur und der physikalisch-chemischen Eigenschaften analysieren und Hinweise für Ihre Wahl in Verbindung mit dem Präparationsprozess und den Kosten geben.

2 Kristallstruktur und Eigenschaften von Siliciumcarbid und Siliciumwafer

2.1 Kristallstruktur und Eigenschaften von Siliziumkarbid

Entsprechend der Kristallstruktur kann Siliciumcarbid in hexagonales α-Siliciumcarbid und kubisches β-Siliciumcarbid unterteilt werden. α-Siliciumcarbid (α-SiC) ist der am weitesten verbreitete polykristalline Typ und wird entsprechend der Anordnung der Atome in 4H-SiC und 6H-SiC unterteilt. In der 4H-SiC-Kristallstruktur sind die Siliciumatome und die Kohlenstoffatome in abwechselnden Schichten angeordnet, was die hexagonale Kristallgitterstruktur bildet, während in 6H-SiC die abwechselnde hexagonale und tetragonale Kristallgitterstruktur gebildet wird. Abbildung 1 veranschaulicht die atomare Anordnung dieser beiden Kristallstrukturen.

Abb.1 Kristallstruktur von 4H-SiC(links) und 6H-SiC(rechts)

Bei α-SiC unterscheiden sich einige der Eigenschaften von 4H-SiC und 6H-SiC geringfügig aufgrund kleinerer Unterschiede in ihren Gitterstrukturen. 4H-SiC hat eine große Gitterfehlanpassungstoleranz, die die Fähigkeit des Kristalls charakterisiert, ein gewisses Maß an Stabilität und kristalliner Qualität beizubehalten, selbst wenn die atomaren Anordnungen im Gitter nicht perfekt übereinstimmen, und ist ein wichtiger Parameter zur Beschreibung der Plastizität und Stabilität des kristallinen Materials unter Einwirkung von Spannungen. Sie ist ein wichtiger Parameter zur Beschreibung der Plastizität und Stabilität von kristallinen Materialien unter Spannung. Die Kombination einer größeren Toleranz gegenüber Gitterfehlanpassungen mit einer höheren Durchbruchfeldstärke und einer besseren elektrischen Leitfähigkeit führt zu einer besseren Stabilität und Zuverlässigkeit von 4H-SiC-Bauelementen, die in der Hochleistungselektronik und der Optoelektronik gut funktionieren. Im Gegensatz dazu hat 6H-SiC eine höhere Elektronenbeweglichkeit und einen geringeren Elektroneneinfangquerschnitt, was 6H-SiC bessere Ladungsträgertransporteigenschaften, einschließlich Mobilität und Lebensdauer, verleiht.

Das β-Siliciumcarbid (β-SiC) kann entsprechend der atomaren Anordnung als 3C-SiC dargestellt werden, wobei jedes Siliciumatom von vier Kohlenstoffatomen und vier benachbarten Siliciumatomen in der kubischen Gitterstruktur umgeben ist. Abbildung 2 zeigt die Struktur der atomaren Anordnung.

Abb.2 Kristallstruktur von 3C-SiC

Im Vergleich zu β-SiC bieten α-SiCs ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis und eine höhere Zuverlässigkeit der Bauelemente, da ihre Kristallstrukturen eine bessere Stabilität, geringere Verunreinigungskonzentrationen und geringere Defektdichten aufweisen, wodurch sie bei hohen Temperaturen, hoher Leistung und hohen Spannungen eingesetzt werden können. 3C-SiC weist aufgrund seiner Kristallstruktur die höchste theoretische Elektronengeschwindigkeit auf, ist aber anfällig für Verunreinigungen, was zu Korrosionsspuren führt. 3C-SiC hat eine hohe Elektronenbeweglichkeit und eine hohe Sättigungsdriftrate sowie eine niedrige Verunreinigungskonzentration und geringe Leckströme, wodurch es in der Hochleistungselektronik, in HF-Geräten usw. eingesetzt werden kann, aber aufgrund des Unterschieds zwischen seiner Kristallgitterstruktur und den Siliziumsubstratmaterialien ist es nicht für die Herstellung integrierter Schaltungen geeignet. Die verschiedenen Kristallstrukturen von SiC und ihre spezifischen physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie die Kristallstruktur der relevanten Parameter sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1 Eigenschaften von SiC-Kristallen mit unterschiedlichen Kristallstrukturen

2.2 Kristallstruktur und Eigenschaften von Silizium

Siliziumkristalle haben eine typische Diamantstruktur, bei der die Siliziumatome äquidistant angeordnet sind und ein kubisches Gitter bilden. Jedes Siliziumatom ist mit den vier umgebenden Siliziumatomen durch kovalente Bindungen verbunden und bildet so eine äußerst stabile ortho-tetraedrische Struktur, die den Siliziummonomeren einen hohen Schmelzpunkt (1414 °C) und thermische Stabilität verleiht. Abbildung 3 ist eine schematische Darstellung der Struktur eines Siliziumkristalls.

Abb.3 Kristallstruktur von Si

Jedes Siliciumatom in einem Siliciumkristall ist mit vier umgebenden Siliciumatomen durch kovalente Bindungen verbunden und bildet eine stabile Kristallstruktur. Dadurch ist Silicium chemisch und thermisch stabil und hat einen Schmelzpunkt von etwa 1414 Grad Celsius. Silizium hat außerdem eine hohe Wärmeleitfähigkeit von etwa 1,5 bis 1,7 Watt pro Meter-Kelvin (W/m-K), was es für die Wärmeableitung und für Wärmemanagement-Anwendungen wichtig macht. Silizium ist ein Halbleiter mit indirekter Bandlücke mit einer Bandlückenbreite von etwa 1,1 Elektronenvolt (eV). Bei Raumtemperatur verhält sich Silizium wie ein Isolator, aber wenn es angeregt wird (z. B. durch einen Temperaturanstieg oder das Anlegen eines elektrischen Feldes), können Elektronen in das Leitungsband springen, wodurch es zu einem Halbleiter wird. In reinen Siliziumkristallen ist die Konzentration von Elektronen und Löchern sehr gering, so dass es sich wie ein Isolator verhält. Durch Dotierung oder Anlegen eines elektrischen Feldes können jedoch zusätzliche freie Ladungsträger eingebracht werden, so dass Silicium die Leitfähigkeit eines Halbleiters oder Leiters aufweist.

Abb.4 Diagramm der Energiebandstruktur eines Siliziumkristalls

3 Wie SiC und Si besser sind als andere Halbleitermaterialien

3.1 Herausforderungen für Halbleitermaterialien in Hochtemperaturumgebungen

Bei hohen Temperaturen sind Materialien anfällig für thermische Belastung und thermische Ausdehnung, was zu einer Störung der Kristallstruktur und einer Verschlechterung der Eigenschaften führt. Für Halbleitermaterialien, insbesondere für solche wie Silizium, ist die thermische Stabilität entscheidend. Die Kristallstruktur wirkt sich nicht nur auf den Leistungsindex des Bauelements aus, sondern kann auch direkte Auswirkungen auf den Betrieb und die Sicherheit des gesamten Prozesses haben. Gleichzeitig können sich die elektrischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien in Hochtemperaturumgebungen ändern, z. B. können Leitfähigkeit, Ladungsträgerkonzentration usw. durch die Temperatur beeinträchtigt werden und sich ändern, was zu einem Rückgang der Leistung elektronischer Geräte oder einem Ausfall führen kann. Darüber hinaus sind Halbleitermaterialien in Hochtemperaturumgebungen anfällig für chemische Reaktionen mit Sauerstoff, Wasserdampf usw. in der Umgebung, was zur Oxidation der Materialoberfläche, Korrosion oder Diffusion von Verunreinigungen im Material und anderen Phänomenen führt und die Stabilität und Lebensdauer des Geräts beeinträchtigt. Die Wärme, die im Inneren des Geräts bei hohen Temperaturen entsteht, kann auch zu einem erneuten Temperaturanstieg führen und so die Leistung und Stabilität des Geräts beeinträchtigen. Daher sind gute Wärmeleitungs- und Wärmeableitungssysteme für Halbleiterbauelemente in Hochtemperaturumgebungen von entscheidender Bedeutung.

3.2 Vor- und Nachteile von Siliziumkarbid und Silizium

3.2.1 Thermische Eigenschaften

Silizium hat einen Schmelzpunkt von ca. 1414 Grad Celsius und SiC hat einen Schmelzpunkt von ca. 2700 Grad Celsius. Die Wärmeleitfähigkeit von Silizium beträgt etwa 1,5-1,7 Watt pro Meter-Kelvin (W/m-K). SiC hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit, in der Regel zwischen 3 und 4,9 Watt pro Meter-Kelvin (W/m-K), je nach Temperatur und Kristallstruktur. Wie in Abbildung 5 dargestellt, ist die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid dreimal höher als die von Silizium. Aus einer umfassenden Sicht der Fähigkeit, Hochtemperaturumgebungen standzuhalten, kann SiC höheren Temperaturen als Silizium standhalten und hat eine bessere Wärmeableitungsleistung, die bei der Verwendung von extrem hohen Temperaturanforderungen vorrangig sein kann.

Abb.5 Siliziumkarbid hat eine 3-mal höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium

3.2.2 Photoelektrische Eigenschaften

SiC ist ein Breitband-Halbleiter mit einer Bandlückenbreite von 2,2 bis 3,3 Elektronenvolt (eV). Si ist ein Schmalband-Halbleiter mit einer kleineren Bandlückenbreite von etwa 1,1 Elektronenvolt (eV). Die Breite der Bandlücke bestimmt die leitenden Eigenschaften des Materials. Materialien mit einer kleinen Bandlücke verhalten sich in der Regel als gute Leiter oder Halbleiter, da die Elektronen relativ leicht in das Leitungsband springen und am Leitungsverhalten teilnehmen können. Materialien mit einer größeren Bandlücke hingegen verhalten sich in der Regel als Isolatoren, da die Elektronen höhere Energien benötigen, um in das Leitungsband zu springen, was dazu führt, dass bei Raumtemperatur nur wenige freie Ladungsträger vorhanden sind. Die Breite der Bandlücke bestimmt auch die optischen Eigenschaften des Materials wie Absorption, Emission und Transmission von Licht. Materialien mit kleineren Bandlücken weisen in der Regel gute Lichtabsorptionseigenschaften auf, da sie mehr Photonen absorbieren können. Materialien mit größeren Bandlücken hingegen sind in der Regel durchsichtig oder durchscheinend, da sie nur Photonen mit Energien absorbieren können, die größer als die Bandlückenbreite sind. Diese unterschiedlichen Eigenschaften führen auch dazu, dass SiC und Si in unterschiedlichen Anwendungsszenarien eingesetzt werden.

3.2.3 Mechanische Eigenschaften und chemische Beständigkeit

Die Mohs-Härte von SiC beträgt etwa 9-9,5, was der Härte von Diamant nahe kommt, während die Mohs-Härte von Si etwa 7 beträgt und damit etwas niedriger ist als die von SiC. Die hohe Härte von SiC verleiht ihm eine gute Abrieb- und Kratzfestigkeit, wodurch es sich für die Herstellung von Geräten eignet, die Abriebfestigkeit erfordern. Zugleich ist die Festigkeit von SiC in der Regel höher als die von Si. SiC hat eine ausgezeichnete Biege- und Zugfestigkeit und kann größeren Belastungen standhalten, ohne sich zu verformen oder zu brechen. SiC hat eine gute chemische Stabilität bei Raumtemperatur und wird nicht leicht von Säuren, Laugen und Lösungsmitteln angegriffen, während Si von einigen starken Oxidationsmitteln und starken Säuren angegriffen wird.

4 Verschiedene Anwendungsszenarien für Siliziumkarbid und Silizium

In Anbetracht der unterschiedlichen Eigenschaften von SiC und Si, die sich aus ihren Kristallstrukturen ergeben, ist es offensichtlich, wie ihre Anwendungen auf ihre Stärken zugeschnitten sind.

SiC zeichnet sich durch eine außergewöhnliche thermische Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen aus und ist daher ideal für die Herstellung elektronischer Geräte, die unter extremen Wärmebedingungen arbeiten. Zu den Anwendungen gehören Leistungsgeräte, HF-Geräte und vieles mehr. Seine robuste Leistung in Hochtemperaturumgebungen eröffnet Möglichkeiten zur Erfüllung von Anforderungen in Bereichen wie Leistungselektronik, RF-Kommunikation und Automobilelektronik. Darüber hinaus führt die größere Bandlückenbreite von SiC zu höheren Durchbruchsspannungen und einem geringeren Durchlasswiderstand, wodurch es sich besonders für die Herstellung von Hochleistungsbauteilen wie Leistungs-MOSFETs und Dioden eignet.

Andererseits ist Si eines der am weitesten verbreiteten Halbleitermaterialien, das in konventionellen elektronischen Geräten wie Transistoren, integrierten Schaltkreisen und Solarzellen weit verbreitet ist. Es dient als Eckpfeiler der Mikroelektronik und profitiert von ausgereiften Präparationstechnologien und Verarbeitungsmethoden, die ein hohes Maß an Integration und Miniaturisierung ermöglichen. Die Vielseitigkeit von Si erstreckt sich auch auf optoelektronische Anwendungen wie LEDs, Laser, Photodetektoren und Solarzellen, wobei seine hervorragenden photovoltaischen Eigenschaften und seine photoelektrische Umwandlungseffizienz genutzt werden.

5 Schlussfolgerung

Im Vergleich zu Silizium verfügt Siliziumkarbid über ein breiteres Anwendungsspektrum bei höheren Temperaturen, aber aufgrund seines Herstellungsverfahrens und der Reinheit des erhaltenen Endprodukts sind Siliziumwafer immer noch die häufigere Wahl, wenn die Anforderungen an die Temperaturumgebung relativ niedrig sind. Stanford Advanced Materials bietet hochwertige Siliziumkarbid-Wafer und Silizium-Wafer für Ihre verschiedenen Anwendungen.

Weiterführende Lektüre:

Heizelemente: Molybdändisilizid vs. Siliziumkarbid

Fallstudie: Siliziumkarbid-Platten für fortschrittliche Panzerungslösungen

Der Durchbruch von Siliziumkarbid-Substraten in der LED-Industrie

Referenz:

[1]Fenglin G ,Chen S ,Xiufang C , et al. Shape modulation due to sub-surface damage difference on N-type 4H-SiC wafer during lapping and polishing[J]. Materials Science in Semiconductor Processing, 2022, 152.