Il carburo di silicio (SiC) è diventato un materiale fondamentale per l'elettronica di potenza di nuova generazione, i sistemi ad alta temperatura e i dispositivi ad alta frequenza. Ciò che rende unico il SiC è che può cristallizzarsi in molti politipi—ne sono stati identificati oltre 200—anche se tutti condividono la stessa formula chimica. Tra questi, 4H-SiC e 6H-SiC sono di gran lunga i più importanti dal punto di vista commerciale.

Dall'esterno, sembrano simili: entrambi sono politipi esagonali con elevata conducibilità termica, forti legami covalenti e ampie bande proibite. Tuttavia, sottili differenze nell'impilamento atomico conferiscono loro distinti comportamenti elettronici e determinano come vengono utilizzati nei dispositivi a semiconduttore.

Questo articolo fornisce una spiegazione chiara e originale di come 4H-SiC e 6H-SiC differiscono nella struttura cristallina, nelle proprietà fisiche e nelle applicazioni pratiche.

1. Perché il SiC forma diversi politipi

Il SiC è composto da strati alternati di silicio e carbonio. Sebbene ogni strato abbia la stessa disposizione atomica, il loro ordine di impilamento può cambiare. Questa sequenza di impilamento è ciò che genera diversi politipi.

Un'analogia semplice è impilare carte da gioco identiche in diversi schemi sfalsati. Le carte non cambiano, ma la forma complessiva sì.

Nel SiC:

• un breve schema ripetitivo crea un politipo come 4H,

• mentre uno schema più lungo crea 6H.

Anche questi piccoli cambiamenti strutturali sono sufficienti per alterare la struttura a bande, i livelli di energia e la mobilità dei portatori.

2. Confronto della struttura cristallina

4H-SiC

• La sequenza di impilamento si ripete ogni quattro strati

• La simmetria cristallina è esagonale

• La costante di reticolo dell'asse C è di circa 10,1 Å

Poiché la sua sequenza di impilamento è più breve e più uniforme, il cristallo risultante mostra meno anisotropia e proprietà elettroniche più coerenti lungo diverse direzioni.

6H-SiC

• La sequenza di impilamento si ripete ogni sei strati

• Simmetria cristallina esagonale

• La costante di reticolo dell'asse C è di circa 15,1 Å

La distanza di ripetizione più lunga crea più siti atomici non equivalenti, rendendo la struttura a bande più complessa e portando a una mobilità dei portatori dipendente dalla direzione.

3. Bandgap e proprietà elettroniche

4H-SiC offre:

• bandgap più ampio

• campo di rottura più elevato

• trasporto di elettroni più veloce

Queste caratteristiche lo rendono particolarmente adatto per dispositivi ad alta tensione e ad alta frequenza.

6H-SiC, pur essendo ancora un materiale a banda proibita ampia, mostra una mobilità inferiore a causa della sequenza di impilamento più complessa.

4. Caratteristiche termiche e meccaniche

Entrambi i politipi condividono gli stessi forti legami covalenti Si–C, che conferiscono loro:

• elevata conducibilità termica

• eccellente resistenza meccanica

• resistenza alle radiazioni e alla corrosione chimica

I valori di conducibilità termica sono simili:

• 4H-SiC ≈ 4,9 W/cm·K

• 6H-SiC ≈ 4,7 W/cm·K

Le differenze sono troppo piccole per influenzare in modo significativo la selezione dei dispositivi.

5. Applicazioni: dove eccelle ogni politipo

4H-SiC: lo standard del settore per l'elettronica di potenza

4H-SiC è dominante in:

• MOSFET

• Diodi Schottky

• Moduli di potenza

• Interruttori ad alta tensione

• Convertitori ad alta frequenza

La sua mobilità elettronica e il campo di rottura superiori migliorano direttamente l'efficienza del dispositivo, la velocità di commutazione e la robustezza termica. Questo è il motivo per cui quasi tutti i moderni dispositivi di potenza in SiC si basano su 4H-SiC.

6H-SiC: di nicchia ma ancora prezioso

6H-SiC è utilizzato in:

• Dispositivi a microonde

• Optoelettronica

• Substrati per epitassia GaN

• Fotodiodi UV

• Applicazioni di ricerca specializzate

Poiché le sue proprietà elettroniche variano con la direzione del cristallo, a volte consente comportamenti dei materiali non ottenibili con 4H-SiC.

6. Quale politipo dovrebbero scegliere gli ingegneri?

Se l'obiettivo è:

• tensione più alta

• maggiore efficienza

• frequenza di commutazione più elevata

• minore perdita di conduzione

allora 4H-SiC è la scelta più ovvia.

Se l'applicazione prevede:

• ricerca sperimentale sui materiali

• comportamento RF di nicchia

• compatibilità con dispositivi legacy

allora 6H-SiC rimane utile.

7. Conclusione

Sebbene 4H-SiC e 6H-SiC condividano la stessa composizione elementare, le loro diverse sequenze di impilamento creano distinti paesaggi elettronici. Per l'elettronica di potenza moderna, 4H-SiC offre prestazioni superiori ed è diventato il politipo dominante del settore. Nel frattempo, 6H-SiC continua a svolgere un ruolo importante nei campi optoelettronici e RF specializzati.

La comprensione di queste differenze strutturali ed elettroniche aiuta gli ingegneri a scegliere il materiale più adatto per i dispositivi a semiconduttore di nuova generazione.