Характеризация Карбида Кремния

02.01.2026

Характеризация Карбида Кремния

Станислав Ордин

Российская Академия Наук

Абстракт. Первые полупроводниковые приборы были созданы на базе карбида кремния. И исследование Локальных Эффектов было начато на базе карбида кремния. А так как Локальные Эффекты проявляются прежде всего на контактах, то были проведены и контрольные исследования как объёмных свойств монокристаллов карбида кремния, так и их Поверхностей, так и Эффектов в карбиде кремния, определяемых размером его частиц. Проведённое комплексное исследование позволило определить природу образования в нём политипов и дать практические рекомендации по получению совершенных образцов карбида кремния, а также по корректировки ВАХ устройств на базе карбида кремния.

Ключевые слова: карбид кремния, контактные термоэлектрические эффекты, фононы, политипы, волны зарядовой плотности.

Карбид кремния, можно сказать, является первым полупроводником. Ещё до введения Квантовой Механикой самого понятия «полупроводник» в 1907 году Генри Джозеф Раунд создал первый светодиод, подавая напряжение на кристаллы SiC и наблюдая за жёлтым, зелёным и оранжевым излучением на катоде. И хотя Макс Планк в конце 1900 года уже получил правильную формулу для распределения энергии в спектре абсолютно чёрного тела и дал её теоретическое обоснование, введя знаменитый «квант действия», а Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном, но активное внедрение Квантовой Механики в физику твёрдого тела ещё не состоялось.

Эксперименты Раунда были повторены на карбиде кремния О. В. Лосевым в СССР в 1923 году. Но и он опередил Квантовую Механику, введя понятие электронной проводимости разного типа – фактически открыл то, что теперь в физике полупроводников называют Дыркой. Кроме того, Олег Лосев создал на кристаллах разного цвета SiC первый полупроводниковый прибор – Трансформатор Сопротивления, сокращённый перевод которого на английский из статьи Лосева и использовали нобелевские лауреаты для названия Транзистор.

Карбид Кремния изначально из-за его твёрдости и стойкости к различным механическим и химическим воздействиям использовался преимущественно как абразивный материал и существенно уступал другим полупроводникам. Но по этим же критериям, дополненным высокой термостойкостью, SiC стал использоваться для мощных СВЧ-диодов и тиристоров. И первые свои эксперименты по обнаружению Локальных Термо-ЭДС на контактах в 1980 году я, как и Лосев, проводил на калиброванных по размеру абразивных порошках SiC.

Хотя для контроля я исследовал размолотые, выращенные в лаборатории Юрия Васильевича Водакова, монокристаллы SiC. Измельченные Виталием Петрановским до калиброванных размеров порошки и были мною использованы для исследований размерных эффектов в кинетических характеристиках полупроводников (рис.1).

Рис.1. Уменьшение выходного генераторного термоэлектрического сопротивления при уменьшении размеров кристалликов SiC до 3 мкм.

Как показали дальнейшие исследования, возникающие в контактной области Эффекты никак нельзя отнести к малым поправкам. Эти Локальные Эффекты проявлялись не только в генерации аномально больших Термо-ЭДС. Как показали исследования контактных эффектов на бескорпусных диодах на базе карбида кремния фирмы «Крии», при протекании тока из-под тонкого верхнего золотого контакта выходит не только синий свет, но и измеримый поток тепла. Основной сброс тепла с термоизолированного тонкого золотого контакта шёл через измерительную микротермопару. При этом на начальном участке ВАХ наблюдалось увеличение тока при увеличении времени его регистрации. (рис. 2а). И это указывало на нарастание температуры контакта, что и подтвердили прямые её измерения (рис. 2б). Таким образом на контакте карбида кремния надёжно зарегистрирован аналог обратного термоэлектрического эффекта – эффект Пельтье.

Рис.2. Прямые ветви ВАХов p-i-n структуры при разных временах термостабилизации (a) и соответствующие им, возникающие на структуре перепады температуры δT (b).