Siliciumcarbide (SiC) is een hoeksteenmateriaal geworden voor de volgende generatie vermogenselektronica, systemen voor hoge temperaturen en hoogfrequente apparaten. Wat SiC uniek maakt, is dat het in vele polytypen kan kristalliseren — er zijn er meer dan 200 geïdentificeerd — hoewel ze allemaal dezelfde chemische formule delen. Hiervan zijn 4H-SiC en 6H-SiC verreweg het meest commercieel belangrijk.

Van de buitenkant lijken ze op elkaar: beide zijn hexagonale polytypen met een hoge thermische geleidbaarheid, sterke covalente bindingen en brede bandgaps. Subtiele verschillen in atoomstapeling geven ze echter verschillende elektronische gedragingen en bepalen hoe ze worden gebruikt in halfgeleiderapparaten.

Dit artikel geeft een duidelijke en originele uitleg van hoe 4H-SiC en 6H-SiC verschillen in kristalstructuur, fysische eigenschappen en praktische toepassingen.

1. Waarom SiC verschillende polytypen vormt

SiC is samengesteld uit afwisselende silicium- en koolstoflagen. Hoewel elke laag dezelfde atomaire rangschikking heeft, kan hun stapelvolgorde veranderen. Deze stapelvolgorde is wat verschillende polytypen genereert.

Een eenvoudige analogie is het stapelen van identieke speelkaarten in verschillende offsetpatronen. De kaarten veranderen niet, maar de algehele vorm wel.

In SiC:

• creëert een kort herhalend patroon een polytype zoals 4H,

• terwijl een langer patroon 6H creëert.

Zelfs zulke kleine structurele veranderingen zijn voldoende om de bandstructuur, energieniveaus en draagbaarheid te veranderen.

2. Vergelijking van de kristalstructuur

4H-SiC

• Stapelvolgorde herhaalt zich om de vier lagen

• Kristalsymmetrie is hexagonaal

• C-as roosterconstante is ongeveer 10,1 Å

Omdat de stapelvolgorde korter en uniformer is, vertoont het resulterende kristal minder anisotropie en meer consistente elektronische eigenschappen in verschillende richtingen.

6H-SiC

• Stapelvolgorde herhaalt zich om de zes lagen

• Hexagonale kristalsymmetrie

• C-as roosterconstante is ongeveer 15,1 Å

De langere herhalingsafstand creëert meerdere niet-equivalente atoomposities, waardoor de bandstructuur complexer wordt en de draagbaarheid richtingafhankelijk wordt.

3. Bandgap en elektronische eigenschappen

4H-SiC biedt:

• hogere bandgap

• hoger doorslagveld

• sneller elektrontransport

Deze kenmerken maken het bijzonder geschikt voor hoogspannings- en hoogfrequente apparaten.

6H-SiC, hoewel nog steeds een materiaal met een brede bandgap, vertoont een lagere mobiliteit als gevolg van de complexere stapelvolgorde.

4. Thermische en mechanische kenmerken

Beide polytypen delen dezelfde sterke covalente Si–C-bindingen, waardoor ze:

• hoge thermische geleidbaarheid

• uitstekende mechanische sterkte

• bestendigheid tegen straling en chemische corrosie

De thermische geleidbaarheidswaarden zijn vergelijkbaar:

• 4H-SiC ≈ 4,9 W/cm·K

• 6H-SiC ≈ 4,7 W/cm·K

De verschillen zijn te klein om de selectie van apparaten significant te beïnvloeden.

5. Toepassingen: waar elk polytype uitblinkt

4H-SiC: De industriestandaard voor vermogenselektronica

4H-SiC is dominant in:

• MOSFET's

• Schottky-diodes

• Vermogensmodules

• Hoogspanningsschakelaars

• Hoogfrequente converters

De superieure elektronenmobiliteit en het doorslagveld verbeteren direct de efficiëntie, schakelsnelheid en thermische robuustheid van het apparaat. Dit is de reden waarom bijna alle moderne SiC-vermogensapparaten gebaseerd zijn op 4H-SiC.

6H-SiC: niche maar nog steeds waardevol

6H-SiC wordt gebruikt in:

• Magnetronapparaten

• Opto-elektronica

• Substraten voor GaN-epitaxie

• UV-fotodetectoren

• Gespecialiseerde onderzoekstoepassingen

Omdat de elektronische eigenschappen variëren met de kristalrichting, maakt het soms materiaalgedrag mogelijk dat niet haalbaar is met 4H-SiC.

6. Welk polytype moeten ingenieurs kiezen?

Als het doel is:

• hogere spanning

• hogere efficiëntie

• hogere schakelfrequentie

• lagere geleidingsverliezen

dan blijft 4H-SiC de duidelijke keuze.

Als de toepassing betrekking heeft op:

• experimenteel materiaalonderzoek

• niche RF-gedrag

• compatibiliteit met oudere apparaten

dan blijft 6H-SiC nuttig.

7. Conclusie

Hoewel 4H-SiC en 6H-SiC dezelfde elementaire samenstelling delen, creëren hun verschillende stapelvolgorden verschillende elektronische landschappen. Voor moderne vermogenselektronica biedt 4H-SiC superieure prestaties en is het de dominante polytype van de industrie geworden. Ondertussen blijft 6H-SiC een belangrijke rol spelen op gespecialiseerde opto-elektronische en RF-gebieden.

Inzicht in deze structurele en elektronische verschillen helpt ingenieurs bij het kiezen van het meest geschikte materiaal voor halfgeleiderapparaten van de volgende generatie.