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실리콘 탄화물: 굴착 물질 에서 다음 세대 반도체 로

우리가 실리콘 카바이드에 대해 이야기 할 때 가장 먼저 생각하게 되는 것은 흔히 부엌 칼을 날카롭게 하는 데 사용되는 친숙한 카보룬덤 밀링 휠입니다.탁월 한 착용 저항성 덕분에, 높은 강도, 그리고 뛰어난 고온 안정성, 실리콘 탄화물은 오랫동안 가려기, 썰기 도구, 불투명 물질 및 기능 세라믹에 널리 사용되어 왔습니다.

이전 기사에서 우리는 실리콘 카바이드 결정의 이야기를 사랑 보석으로 논의했습니다. 이 기사에서는 반도체 재료로 실리콘 카바이드에 초점을 맞출 것입니다.

반도체는 우리가 접하는 거의 모든 전자 회로의 필수 부품입니다. 반도체는 전기 전도성이금속과 같은, 그리고 세라믹이나 플라스틱과 같은 단열제.반도체의 전도도는 또한 작동 온도 또는 제조 과정에서 도입된 불순물에 따라 변화 할 수 있습니다..

그러나 엄밀히 말하면 전기 전도성은 물질의 에너지 대역 구조에 의해 결정됩니다. 따라서반도체에 대한 보다 정확한 정의는 그 대역 구조에 근거해야 합니다..

아래 도표에서 보이는 것처럼, 전도기, 반도체, 그리고 단열기는 서로 다른 에너지 대역 구조를 가지고 있다. 전도기에서는, 전도 대역과 발렌스 대역이 겹치며,또는 그 사이의 에너지 차이는 매우 작습니다그 결과, 전자를 전도 대역으로 흥분시키고 방향 전류 흐름을 생성하기 위해 외부 전기장과 같은 적은 양의 에너지가 필요합니다.

반도체에서는 전도 대역과 발렌스 대역 사이에 금지 대역 (band gap) 이라고도 합니다.전자는 전도역 간격보다 더 큰 에너지를 흡수할 때만 전도역으로 흥분될 수 있습니다.일반적으로 반도체 대역 간격은 대략 0~6.5 eV입니다.

단열제에서는, 대역 간격이 훨씬 더 크며, 일반적으로 10 eV 이상의 순서로, 전자가 전도 대역으로 흥분되는 것을 매우 어렵게 만듭니다. 결과적으로,전기 전도성이 쉽게 발생하지 않습니다.

따라서 반도체의 독특한 전기 전도성 (conductors and insulators) 은 근본적으로 에너지 대역 구조에 의해 결정됩니다.

에너지 대역 구조 다이어그램

실리콘 에서 실리콘 탄산 으로

반도체는 순수 원소로 만들어질 수 있으며, 실리콘과 게르메늄은 가장 일반적인 예입니다.그들은 또한 실리콘 탄화물 (SiC) 및 갈륨 아르세나이드 (GaAs) 와 같은 복합 물질로 만들어질 수 있습니다..

초기 반도체 장치는 주로 게르마늄으로 만들어졌습니다. 나중에 실리콘이 가장 널리 사용되는 반도체 재료가되었습니다. 그러나 실리콘 기반 장치 기술이 계속 발전함에 따라, 실리콘은 더 많은 사용자를 확보했습니다.장치의 성능은 점차로 실리콘 자체의 물리적 한계에 접근했습니다..

이러한 현상 은 첨단 반도체 재료 들 에 새로운 기회 를 마련 해 주었다. 그 가운데, 실리콘 탄화물, 또는 SiC 는 전통적인 실리콘 에 가장 유망 한 경쟁자 중 하나 가 되었다.

이제 SiC와 비교해 볼 때 어떤 장점이 있는지 자세히 살펴보겠습니다.

독보적 인 SiC 구조 로 인해 더 뛰어난 성능

실리콘카바이드 (SiC carbide) 는 탄소와 실리콘 원자로 구성된 반도체 화합물이다.예를 들어 SiC4 또는 CSi4이 구조에서 한 원자는 주변 4개의 원자로 형성된 네모의 중심에 위치한다.

SiC의 원자 구조

물질의 구조는 그 특성을 결정하고 그 특성은 그 응용을 결정합니다.바로 SiC 의 독특 한 원자 구조 때문 에 그 는 탁월 한 물리적, 화학적 성능 을 가지고 있습니다.

분해 강도, 밴드 간격, 열전도성 등 SiC의 몇 가지 주요 특성을 살펴보자.

1. 높은 결정적 붕괴 강도

SiC는 매우 높은 결정적 분해 강도를 가지고 있습니다. 이것은 SiC 장치가 동일한 패키지 크기를 유지하면서 더 높은 전압을 견딜 수 있음을 의미합니다.또한 동일한 전압 등급을 유지하면서 포장재의 단열 요구 사항을 줄일 수 있습니다..

그 결과, SiC는 실리콘으로 얻을 수 있는 것보다 크기 순위 높을 수 있는 차단 전압을 가진 부품을 제조하는 데 사용될 수 있다.

반도체의 가장 중요한 특성 중 하나는 에너지 격차 또는 대역 격차입니다. 대역 격차는 전자 볼트 또는 eV로 측정되며, 1 eV는 대략 1과 같습니다.602 × 10−19주울.

SiC의 대역 간격은 약 3.26 eV이고, Si의 대역 간격은 약 1.12 eV입니다.SiC로 대표되는 세 번째 세대의 넓은 대역 반도체는 전자 장치, 특히 전력 전자 장치가 더 높은 전압에서 작동하도록 허용합니다., 더 높은 온도, 더 높은 주파수.

이것은 SiC 기반 장치를 더 빠르고 작고 더 신뢰할 수 있게 합니다.

3높은 열전도성

열전도성 은 반도체 물질 의 또 다른 중요 특성 이다. 열전도성 이 높을수록 물질 은 작동 도중 생성 되는 열 을 더 효과적으로 분산 시킬 수 있다.

이것은 고열전도 반도체로 만든 구성 요소가 더 작아지고 전체 시스템의 열 관리를 개선하는 데 도움이됩니다.

SiC의 열 전도도는 약 430 W/m·K이고, Si의 열 전도도는 약 150 W/m·K입니다. 이것은 SiC에 고전력 및 고온 응용 분야에서 분명한 이점을 제공합니다.

반도체 재료로서의 실리콘 탄화물

우리는 이미 SiC의 많은 전통적인 응용 분야를 논의했습니다.SiC의 가장 흥미로운 잠재력은 MOSFET 및 Schottky 장벽 다이오드와 같은 장치에서 사용되는 전력 반도체 재료로서의 성능에 있습니다..

높은 분해 강도, 넓은 대역 간격 및 우수한 열 전도성 덕분에 SiC는 Si, Ge,많은 까다로운 응용 프로그램에서.

제조 기술이 계속 성숙함에 따라, 실리콘 탄화물은 반도체 재료 분야에서 떠오르는 별이되고 있습니다.