كربيد السيليكون مقابل السيليكون: دراسة مقارنة لأشباه الموصلات في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية

1 مقدمة

مع التطبيق الواسع النطاق لأشباه الموصلات في مختلف جوانب الإنتاج والحياة، أصبحت متطلبات الأداء لمواد أشباه الموصلات في سيناريوهات الاستخدام المختلفة متنوعة بشكل متزايد. في العديد من بيئات التطبيقات، يجب أن تعمل مواد أشباه الموصلات في درجات حرارة عالية، الأمر الذي يتطلب ثباتًا حراريًا عاليًا واستقرارًا كهربائيًا وكثافة طاقة لمواد أشباه الموصلات. في ظل هذه المتطلبات، حظيت رقاقات كربيد السيليكون (SiC) ورقائق السيليكون ( Si) بالاهتمام كمواد شبه موصلة ذات بنية وخصائص مستقرة وثبات حراري جيد. إن البنية الماسية لهاتين البلورتين الذريتين تجعلهما مستقرتين حرارياً للغاية، ويمكنهما القيام بالمزيد من وظائف أشباه الموصلات في البيئات ذات درجات الحرارة العالية. في هذه المقالة، سنقوم بتحليل الاختلافات في الأداء وأسباب أدائهما في سيناريوهات تطبيقات أشباه الموصلات في البيئات ذات درجات الحرارة العالية من منظور البنية البلورية والخصائص الفيزيائية الكيميائية، وسنقدم مراجع لاختياراتك مع عملية التحضير والتكلفة.

2 التركيب البلوري وخصائص كربيد السيليكون ورقاقة السيليكون

2.1 التركيب البلوري وخصائص كربيد السيليكون

وفقًا للهيكل البلوري، يمكن تقسيم كربيد السيليكون إلى كربيد السيليكون السداسي ألفا وكربيد السيليكون المكعب بيتا. كربيد السيليكون ألفا-سيليكون كربيد السيليكون (α-SiC) هو النوع متعدد البلورات الأكثر شيوعًا، ووفقًا لترتيب الذرات، ينقسم إلى 4H-SiC و6H-SiC، وفي البنية البلورية 4H-SiC، يتم ترتيب ذرات السيليكون وذرات الكربون في طبقات متناوبة، والتي تشكل بنية شبكية بلورية سداسية الشكل؛ بينما في 6H-SiC، تشكل البنية الشبكية البلورية السداسية والرباعية الشكل المتناوبة. يوضح الشكل 1 الترتيب الذري لهاتين البنيتين البلوريتين.

الشكل 1 البنية البلورية لـ4H-SiC (يسار) و6H-SiC (يمين)

بالنسبة إلى α-SiC، تختلف بعض خصائص 4H-SiC و6H-SiC اختلافًا طفيفًا بسبب الاختلافات الطفيفة في بنيتهما الشبكية. تتمتع 4H-SiC بقدرة كبيرة على تحمل عدم تطابق الشبكة، وهو ما يميز قدرة البلورة على الحفاظ على درجة معينة من الاستقرار والجودة البلورية حتى عندما يكون هناك تطابق غير كامل بين الترتيبات الذرية في الشبكة، وهو معلمة مهمة لوصف مرونة واستقرار المادة البلورية تحت تأثير الإجهاد. وهي معلمة مهمة لوصف مرونة وثبات المواد البلورية تحت تأثير الإجهاد. وينتج عن الجمع بين قدرة أكبر على تحمل عدم تطابق الشبكة مع قوة مجال انهيار أعلى وموصلية كهربائية أفضل استقرار وموثوقية أفضل لأجهزة 4H-SiC، والتي تؤدي أداءً جيدًا في الإلكترونيات عالية الطاقة والإلكترونيات الضوئية. في المقابل، تتمتع 6H-SiC بحركية إلكترون أعلى ومقطع عرضي أقل لالتقاط الإلكترونات، مما يمنح 6H-SiC خصائص نقل أفضل للناقل، بما في ذلك الحركية والعمر الافتراضي.

يمكن تمثيل كربيد السيليكون β-SiC على أنه 3C-SiC وفقًا للترتيب الذري، حيث تحاط كل ذرة سيليكون بأربع ذرات كربون وأربع ذرات سيليكون مجاورة في بنية الشبكة المكعبة. يوضح الشكل 2 هيكل الترتيب الذري لها.

الشكل 2 التركيب البلوري لـ3C-SiC

بالمقارنة مع β-SiCs، توفر α-SiCs فعالية أفضل من حيث التكلفة وموثوقية أفضل للأجهزة لأن هياكلها البلورية تتمتع باستقرار أفضل وتركيزات شوائب أقل وكثافة عيوب أقل، ما يسمح لها بالعمل في درجات حرارة عالية وطاقة عالية وظروف جهد عالي. أما بالنسبة لـ3C-SiC، فإن بنيتها البلورية تسمح لها بامتلاك أعلى سرعة إلكترونية نظرية، ولكنها عرضة للشوائب، مما يؤدي إلى آثار تآكل الشوائب. تتمتع 3C-SiC بحركية عالية للإلكترون ومعدل انجراف تشبع الإلكترونات، فضلاً عن انخفاض تركيز الشوائب وتيارات التسرب مما يسمح باستخدامها في الإلكترونيات عالية الطاقة وأجهزة الترددات اللاسلكية وما إلى ذلك، ولكن بسبب الاختلاف في هيكلها البلوري الشبكي البلوري ومواد الركيزة السيليكونية وبالتالي فهي غير مناسبة لتصنيع الدوائر المتكاملة. يمكن الاطلاع على الهياكل البلورية المختلفة لبلورات SiC ذات الخصائص الفيزيائية والكيميائية المحددة والبنية البلورية للمعلمات ذات الصلة في الجدول 1.

الجدول 1 خصائص بلورات SiC ذات الهياكل البلورية المختلفة

2.2 البنية البلورية وخصائص السيليكون

تتميّز بلورات السيليكون ببنية ماسية نموذجية، حيث تكون ذرات السيليكون مرتبة بشكل متساوٍ لتكوين شبكة مكعبة، وتتصل كل ذرة سيليكون بذرات السيليكون الأربع المحيطة بها من خلال روابط تساهمية لتكوين بنية رباعية الأوجه مستقرة للغاية، وهو ما يمنح مونومرات السيليكون درجة انصهار عالية (1414 درجة مئوية) واستقراراً حرارياً. الشكل 3 هو تمثيل تخطيطي لبنية بلورة السيليكون.

الشكل 3 التركيب البلوري للسيليكون

تتصل كل ذرة سيليكون في بلورة السيليكون بأربع ذرات سيليكون محيطة بها بواسطة روابط تساهمية، مما يشكل بنية بلورية مستقرة. وهذا يجعل السيليكون مستقرًا كيميائيًا وحراريًا، حيث تبلغ درجة انصهاره حوالي 1414 درجة مئوية. ويتمتع السيليكون أيضًا بموصلية حرارية عالية تبلغ حوالي 1.5 إلى 1.7 واط لكل متر كلفن (W/m-K)، مما يجعله مهمًا لتطبيقات تبديد الحرارة والإدارة الحرارية. السيليكون هو شبه موصل ذو فجوة نطاق غير مباشرة مع عرض فجوة نطاق يبلغ حوالي 1.1 إلكترون فولت (eV). في درجة حرارة الغرفة، يتصرف السيليكون كعازل، ولكن عند إثارته (على سبيل المثال، عن طريق زيادة درجة الحرارة أو تطبيق مجال كهربائي)، يمكن للإلكترونات أن تقفز إلى نطاق التوصيل، مما يجعله شبه موصل. في بلورات السيليكون النقية، يكون تركيز الإلكترونات والفجوات منخفضًا جدًا، لذلك يتصرف كعازل. لكن، عن طريق التخدير أو تطبيق مجال كهربائي، يمكن إدخال حاملات حرة إضافية، مما يجعل السيليكون يُظهر توصيلية أشباه الموصلات أو الموصلات.

الشكل 4 رسم تخطيطي لبنية نطاق الطاقة لبلورة السيليكون

3 كيف يكون السيليكون والسيليكون أفضل من مواد أشباه الموصلات الأخرى

3.1 التحديات التي تواجه المواد شبه الموصلة في البيئات ذات درجات الحرارة العالية

في درجات الحرارة المرتفعة، تكون المواد عرضة للإجهاد الحراري والتمدد الحراري، مما يؤدي إلى اضطراب البنية البلورية وتدهور الخصائص. بالنسبة لمواد أشباه الموصلات، وخاصةً تلك المواد مثل السيليكون، فإن الاستقرار الحراري أمر بالغ الأهمية. لا تؤثر البنية البلورية على مؤشر أداء الجهاز فحسب، بل قد يكون لها أيضًا تأثير مباشر على تشغيل وسلامة العملية بأكملها. وفي الوقت نفسه، تكون الخواص الكهربائية لمواد أشباه الموصلات عرضة للتغيير في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة، على سبيل المثال، قد تتأثر الموصلية وتركيز الناقل وما إلى ذلك بدرجة الحرارة والتغيير، مما قد يؤدي إلى انخفاض في أداء الأجهزة الإلكترونية أو فشلها. بالإضافة إلى ذلك، تكون مواد أشباه الموصلات في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة عرضة للتفاعلات الكيميائية مع الأكسجين وبخار الماء وما إلى ذلك في البيئة المحيطة، مما يؤدي إلى أكسدة سطح المادة أو تآكلها أو انتشار الشوائب في المادة وظواهر أخرى، مما يؤثر على استقرار الجهاز وعمره. قد تتسبب الحرارة المتولدة داخل الجهاز الذي يعمل في بيئة ذات درجة حرارة عالية أيضًا في ارتفاع درجة الحرارة مرة أخرى، مما يؤثر على أداء الجهاز واستقراره. لذلك، فإن التوصيل الحراري الجيد وأنظمة تبديد الحرارة أمر بالغ الأهمية لأجهزة أشباه الموصلات في البيئات ذات درجات الحرارة العالية.

3.2 مزايا وعيوب كربيد السيليكون والسيليكون

3.2.1 الخواص الحرارية

تبلغ درجة انصهار السيليكون حوالي 1414 درجة مئوية، بينما تبلغ درجة انصهار كربيد السيليكون حوالي 2700 درجة مئوية. تبلغ الموصلية الحرارية للسيليكون حوالي 1.5-1.7 واط لكل متر كلفن (W/m-K). أما SiC فلديه موصلية حرارية أعلى، تتراوح عادةً بين 3 و4.9 واط لكل متر كلفن (W/m-K)، اعتمادًا على درجة الحرارة والبنية البلورية. وكما هو مبين في الشكل 5، فإن الموصلية الحرارية لكربيد السيليكون أعلى بثلاث مرات من السيليكون. ومن منظور شامل للقدرة على تحمل البيئات ذات درجات الحرارة العالية، يمكن لكربيد السيليكون أن يتحمل درجات حرارة أعلى من السيليكون، ويتمتع بأداء تبديد حرارة ممتاز، وهو ما يمكن أن يكون له الأولوية في استخدام متطلبات درجات الحرارة العالية للغاية.

شكل.5 كربيد السيليكون لديه موصلية حرارية أعلى 3 مرات من السيليكون

3.2.2.2 الخصائص الكهروضوئية

SiC عبارة عن أشباه موصلات عريضة النطاق بعرض فجوة نطاق يتراوح بين 2.2 إلى 3.3 إلكترون فولت (eV) Si عبارة عن شبه موصل ضيق النطاق بعرض فجوة نطاق أصغر يبلغ حوالي 1.1 إلكترون فولت (eV). ويحدد عرض فجوة النطاق الخصائص الموصلة للمادة. وعادةً ما تتصرف المواد ذات فجوة الحزمة الصغيرة كموصلات أو أشباه موصلات جيدة لأن الإلكترونات يمكنها القفز إلى نطاق التوصيل بسهولة نسبية والمشاركة في السلوك التوصيلي. من ناحية أخرى، عادةً ما تتصرف المواد ذات فجوة النطاق الأكبر عادةً كعوازل لأن الإلكترونات تتطلب طاقات أعلى للقفز إلى نطاق التوصيل، مما يؤدي إلى مواد ذات حاملات حرة قليلة في درجة حرارة الغرفة. كما يحدد عرض فجوة الحزمة أيضًا الخصائص البصرية للمادة مثل الامتصاص والانبعاث ونقل الضوء. وعادةً ما تُظهر المواد ذات فجوات النطاقات الأصغر خصائص امتصاص جيدة للضوء لأنها تستطيع امتصاص المزيد من الفوتونات. من ناحية أخرى، عادة ما تكون المواد ذات فجوات النطاقات الأكبر شفافة أو شفافة لأنها لا تمتص سوى الفوتونات ذات الطاقات الأكبر من عرض فجوة النطاق. ويحدد أداء هذه الخصائص المختلفة أيضًا أن SiC و Si يتم تطبيقهما في سيناريوهات استخدام مختلفة.

3.2.3 الخواص الميكانيكية والاستقرار الكيميائي

تبلغ صلابة موس ل SiC حوالي 9-9.5، وهي قريبة من صلابة الماس، في حين تبلغ صلابة موس ل Si حوالي 7، وهي أقل قليلاً من صلابة SiC. تمنحه صلابة SiC العالية مقاومة جيدة للتآكل والخدش، مما يجعله مناسبًا للاستخدام في تصنيع الأجهزة التي تتطلب مقاومة للتآكل. وفي الوقت نفسه، عادةً ما تكون قوة SiC أعلى من قوة Si. تتمتع SiC بقوة انثناء وشد ممتازة ويمكنها تحمل ضغوط أكبر دون تشوه أو تمزق. تتمتع SiC بثبات كيميائي جيد في درجة حرارة الغرفة ولا تهاجمها الأحماض والقلويات والمذيبات بسهولة، بينما يهاجم Si بعض العوامل المؤكسدة القوية والأحماض القوية.

4 سيناريوهات تطبيق مختلفة لكربيد السيليكون والسيليكون

بالنظر إلى الخصائص المميزة لكربيد السيليكون وسيليكون السيليكون الناشئة عن بنيتهما البلورية، من الواضح كيف أن تطبيقاتهما مصممة خصيصًا لنقاط قوتهما.

يتميز كربيد السيليكون بثبات حراري استثنائي ومقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة، مما يجعله مثاليًا لصناعة الأجهزة الإلكترونية التي تعمل في ظروف الحرارة الشديدة. وتشمل التطبيقات أجهزة الطاقة وأجهزة الترددات اللاسلكية وغيرها. ويتيح أداؤها القوي في البيئات ذات درجات الحرارة العالية إمكانيات لتلبية المتطلبات في قطاعات مثل إلكترونيات الطاقة واتصالات الترددات اللاسلكية وإلكترونيات السيارات. وعلاوة على ذلك، يُترجم عرض فجوة النطاق الأوسع ل SiC إلى جهد انهيار أعلى ومقاومة أقل، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لتصنيع الأجهزة عالية الطاقة مثل أجهزة MOSFETs والثنائيات.

من ناحية أخرى، يبرز Si كواحد من أكثر المواد شبه الموصلة انتشارًا، حيث يتم استخدامه على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية التقليدية مثل الترانزستورات والدوائر المتكاملة والخلايا الشمسية. وهي بمثابة مادة أساسية في الإلكترونيات الدقيقة، حيث تستفيد من تقنيات التحضير الناضجة وطرق المعالجة التي تتيح مستويات عالية من التكامل والتصغير. ويمتد تعدد استخدامات سيليكون إلى التطبيقات الإلكترونية الضوئية مثل مصابيح LED والليزر وأجهزة الكشف الضوئي والخلايا الشمسية، مستفيدة من خصائصها الكهروضوئية الممتازة وكفاءة التحويل الكهروضوئي.

5 الخلاصة

بالمقارنة مع السيليكون، يميل كربيد السيليكون إلى أن يكون له نطاق أوسع من التطبيقات في سيناريوهات درجات الحرارة المرتفعة، ولكن نظراً لعملية تحضيره ونقاء المنتج النهائي الذي يتم الحصول عليه، لا تزال رقائق السيليكون الخيار الأكثر استخداماً في الحالات التي تكون فيها متطلبات بيئة درجة الحرارة منخفضة نسبياً. توفر Stanford Advanced Materials رقائق كربيد السيليكون ورقائق السيليكون عالية الجودة لاستخداماتك المختلفة.

قراءة ذات صلة:

عناصر التسخين: ديسيلبيد الموليبدينوم مقابل كربيد السيليكون

دراسة حالة: ألواح كربيد السيليكون لحلول الدروع المتقدمة

اختراق ركيزة كربيد السيليكون في صناعة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)

المرجع:

[1] [1] Fenglin G، و Chen S، و Xiufang C، وآخرون. تعديل الشكل بسبب اختلاف التلف تحت السطح على رقاقة 4H-SiC من النوع N أثناء اللف والتلميع [J]. علوم المواد في معالجة أشباه الموصلات، 2022,152.