Tổng quan về vật liệu SiC và SiCxốp
1.1.3. Các tính chất vật lý của SiC tinh thể
Silic cacbua là một vật liệu rất được quan tâm trong lĩnh vực linh kiện điện tử công suất cao, lý do là vì nó có hai tính chất đặc biệt: năng lượng vùng cấm lớn và sự liên kết mạnh giữa hai loại nguyên tử nhẹ là cacbon và silic. Năng lượng vùng
11
cấm lớn từ 2,3-3,3 eV (tùy thuộc vào dạng thù hình) làm cho SiC có thế đánh thủng lớn. Còn liên kết mạnh giữa các nguyên tử nhẹ trong SiC dẫn tới năng lượng phonon lớn, và điều này đến lượt mình lại dẫn đến độ dẫn nhiệt và vận tốc cuốn của điện tử cao. Đây chính là nguyên nhân làm cho SiC trở nên một chất bán dẫn có tính chất cơ, nhiệt và điện vượt trội so với nhiều chất bán dẫn khác.
Bảng 1.1. Các thông số vật lý của cSiC khối và một số vật liệu khác (để so sánh) [57].
Tính chất 3C- SiC 4H- SiC 6H- SiC Si GaAs Kim cương Độ rộng vùng cấm (eV) 2,28 3,23 3,0 1,1 1,4 5,5 Nhiệt độ nóng chảy (oC) >1800 >1800 >1800 1420 1240 - Ứng suất Young (GPa) 448 448 448 75 190 1035 Hệ số nhiệt (×10-6
K-1) 3,8 - 4,2 6,9 2,6 -
Độ linh động của điện tử (cm2
/Vs) 800 900 400 600 400 1600
Điện trường đánh thủng
(×106 V/cm) 4,0 4,0 4,0 0,3 0,4 10
Độ dẫn nhiệt (W/cm.K) 5,0 4,9 4,9 1,5 0,5 20 Vận tốc cuốn bão hòa
(×107cm/s) 2,5 0,8 2,2 1,0 2,0 2,7
Hằng số điện môi 9,7 9,7 10 11,8 12,8 5,5
Nếu nói một cách cụ thể hơn thì SiC có độ cứng chỉ đứng sau kim cương, độ dẫn nhiệt lớn (5 W/cm.K ở nhiệt độ phòng), nhiệt độ nóng chảy cao (> 1800oC, tùy thuộc vào cấu trúc tinh thể), điện trường đánh thủng rất lớn (4x106 V/cm) [71, 125]. Các tính chất cơ nhiệt điện của SiC được tổng hợp lại và liệt kê trên Bảng 1.1. Bên cạnh những tính chất vật lý ưu việt thì SiC còn rất trơ với các tác động của các chất hóa học nên rất khó bị ăn mòn và ôxy hóa. Các tính chất ưu việt của SiC làm cho vật liệu này có khả năng ứng dụng lớn trong các thiết bị chuyển mạch trong hệ thống phân phối điện, động cơ tuốc-bin làm việc ở nhiệt độ cao, các thiết bị điện tần
12
số cao, cũng như trong các đầu thu (detector) và cảm biến làm việc trong môi trường nhiệt độ cao và khắc nghiệt [41, 71, 125]. Các hạt nano cSiC được sử dụng để bọc phủ các mũi khoan, pha vào sơn hoặc mạ cùng với kim loại để làm tăng khả năng chịu mài mòn và ôxy hóa [61]. Tuy nhiên, tương tự như Si, SiC cũng là bán dẫn vùng cấm xiên nên sự phát quang của nó rất kém.