 |
Marie Curie Actions |
MANSiC för alla |
|||||||||||
Kiselkarbid |
|
| Kiselkarbid (SiC), även känt som carborundum eller moissanite (namngivet efter den franske forskaren Dr. Henri MOISSAN som var den förste att identifiera det år 1905), är ett sammansatt material som består av 50 % kol och 50 % kisel. Naturligt förekommande kiselkarbid (moissanite) återfinns endast i ytterst små mängder i geologiskt exceptionella platser, så som diamantinnehållande rökgångar, kimberlitiska vulkaniska öppningar och till och med i vissa typer av meteoriter. I stort sett all kiselkarbid som säljs kommersiellt är syntetiskt framställd. |
||||||
Kiselkarbid är både ett keramiskt material och en halvledare med enastående egenskaper. Det är väldigt hårt (9 på Mohs hårdhetsskala; nästan lika hårt som diamant), kemiskt trögt och kan hantera tuffa miljöer så som oxiderande förhållanden och höga temperaturer (>1000°C). Det har en hög värmeledningsförmåga och kan således leda bort värme som metaller. Materialet har använts som industriellt slipmedel i över ett århundrade (företaget Carborundums huvudprodukt) men numer breddas dess tillämpningsområden även till luftfart (hög temperatur motorer, bromsskivor), kompositer, partikelfilter och värmeelement. |
||||||
SiC kristaller har nyligen, på grund av sina diamantliknande optiska egenskaper, börjat användas som smycken under namnet moissanite. Det huvudsakliga tillämpningsområdet för kiselkarbidkristaller återfinns dock inom elektronik. Elektroniska komponenter baserade på SiC bör fungera på högre temperatur, högre effekt, högre frekvens och i tuffare miljöer än komponenter gjorda av andra halvledande material (kisel, germanium, galliumarsenid…). Men, för att uppnå de goda inneboende elektroniska egenskaperna hos kiselkarbid är det nödvändigt att växa kristaller av hög kvalitet. |
||||||
|
||||||
| SiC kristallväxt | ||||||
En kristall är ett fast material bestående av regelbundna och periodiskt staplade atomer. Nästan alla fasta material (metaller, legeringar, keramer, salter, plaster…) kan producera kristaller om rätt förutsättningar uppnås för atomerna att organisera sig. I de flesta fall krävs tillförsel av energi (värme eller tryck) för att atomerna ska kunna anta sina regelbundna positioner i ett tredimensionellt nätverk. Kristaller som återfinns i naturen bildas ofta spontant men denna växtprocedur skapar många defekter (bristfällig stapling, innehåll av andra material…). Eftersom elektronikindustrin behöver kristaller av hög kvalitet för att förbättra komponenters prestanda används ofta de bästa spontant växta kristallerna som frön för ytterligare växt och/eller förbättring av kvalitén. Därför används en kopierande växtteknik, epitaxi (från den grekiska roten ”epi = ovanför” och ”taxi = på ett ordnat vis”), genom att använda några reaktanter samt ett frö. |
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
Det är viktigt att notera att staplingsperiodiciteten (det tredimensionella atomiska nätverket) hos atomer inom kristaller ofta beror på villkoren för kristallisering. Det bäst kända exemplet ges av kolatomer, vilka kan producera grafit (stenkol) under måttliga temperaturer och tryck medan de även kan åstadkomma diamant under extremt höga temperaturer och tryck. Denna förmåga att kristallisera i olika former kallas för polymorfism. |
||||||
Kiselkarbid presenterar en speciell form av polymorfism, så kallad polytypism, där förändringen i atomernas staplingssekvens endast förekommer i en specifik riktning i det tredimensionella nätverket. På grund av denna specifika egenskap, som tillåter ett nästan oändligt antal variationer av nätverket, har ett stort antal polytyper identifierats. |
||||||
Dock produceras vanligtvis bara de tre mest stabila polytyperna, 6H-SiC, 4H-SiC och 3C-SiC (där H och C står för hexagonal respektive kubisk kristallsymmetri). De flesta fysiska egenskaper hos dessa polytyper är identiska, med undantag för de elektroniska. Varje polytyp har specifika fördelar för elektroniska komponenter. Till exempel är 4H bättre lämpad för hög effekt (t.ex. elektricitetsdistribution via högspänning) och hög temperatur (t.ex. bil- eller flygplansmotorer) medan 3C borde passa bättre för högfrekvenstillämpningar (t.ex. radar). |
||||||
|
||||||
På grund av kiselkarbids höga termiska stabilitet är tillförsel av en stor mängd energi nödvändig för kristallväxt. Detta har till följd att de tekniker som vanligtvis används för att växa materialet kräver temperaturer över 2200°C. Detta gör i sin tur växtprocessen väldigt svårkontrollerad. Till yttermera visso tillåter dessa förutsättningar endast kristallisering av de hexagonala polytyperna eftersom 3C bara är stabil vid lägre temperaturer (under 2000°C) där atomerna inte får tillräckligt med energi för bra kristallväxt. |
||||||
Ovanstående är anledningen till att det i dagsläget inte finns några kommersiellt tillgängliga 3C-SiC kristaller av tillräckligt hög kvalitet för elektroniska tillämpningar, medan 4H och 6H kristaller av hög kvalitet tillhandahålles av flera företag. |
||||||
| Kubisk SiC kristallväxt | ||||||
Två kritiska punkter måste etableras för att kunna utveckla 3C-SiC kristaller som går att använda för elektroniska tillämpningar: |
||||||
1) Ett lämpligt frö för 3C epitaxi måste hittas (eftersom det saknas 3C kristaller av god kvalitet). |
||||||
2) Nya växttekniker behöver utvecklas som befrämjar hög kristallkvalitet i 3C (låg koncentration av defekter) även vid lägre temperaturer (för att stabilisera 3C). |
||||||
Angående frö, kristallin kisel har studerats intensivt för SiC epitaxi men det resulterande 3C materialet är alltid av låg kvalitet. Under speciella förutsättningar kan även 6H och 4H polytyperna användas som frön för 3C epitaxi men lagren har normalt hög defekttäthet. |
||||||
Nya växttekniker som är specifikt inriktade på 3C polytypen är i dagsläget under utveckling på flera platser i Europa. Dessa har demonstrerat både lovade och komplementära resultat då en av dem tillåter deposition av bra 3C lager (ett par μm tjocka) på 6H (eller 4H) substrat medan en annan tillåter växt av mycket tjockare 3C material (från flera hundra μm upp till ett par mm tjocka lager) samtidigt som kvalitén från det underliggande 3C fröet bibehålls. |
||||||
Det finns ingen egentlig konkurrent på internationell nivå som använder liknande tekniker, vilket innebär att Europa ligger före och har en stor roll att spela inom detta område. |
||||||
|
||||||
| MANSiC målsättningar | ||||||
Det nuvarande MANSiC konsortiet samlar de grupper som utvecklar dessa nya tekniker samt andra europeiska laboratorier med internationellt erkänd expertis inom kiselkarbid för elektroniska komponenter. Denna gemensamma ansträngning borde säkerligen tillåta utvecklingen av en alternativ och europeisk kommersiell källa av 3C-SiC kristaller med bättre kristallin kvalitet än de befintliga kommersiella produkterna. Sådant förbättrat material skulle först karaktäriseras och testas (från ytpolering till framställning av komponenter) med målet att framställa innovativa och/eller förbättrade elektroniska komponenter. |
||||||
Ett så pass komplext och korsrelaterat projekt utgör en utsökt grund för att sätta upp ett träningsprojekt för unga forskare inom området fasta tillståndets fysik och materialvetenskap. Doktorander och unga forskare kommer att tränas inom olika fält: från nya växttekniker till karaktärisering av halvledarmaterial och tillverkning av elektroniska komponenter. Workshops och träningsskolor kommer att organiseras för att förse de unga forskarna med den nödvändiga vetenskapliga kunskapsbakgrunden och för att ge dem tillfälle att presentera sitt arbete och sina resultat för det vetenskapliga samfundet. |
||||||
