El carburo de silicio (SiC) se ha convertido en un material fundamental para la electrónica de potencia de próxima generación, los sistemas de alta temperatura y los dispositivos de alta frecuencia. Lo que hace único al SiC es que puede cristalizarse en muchos politipos, más de 200 han sido identificados, aunque todos comparten la misma fórmula química. Entre estos, 4H-SiC y 6H-SiC son, con diferencia, los más importantes comercialmente.

Desde el exterior, parecen similares: ambos son politipos hexagonales con alta conductividad térmica, fuerte enlace covalente y amplias bandas prohibidas. Sin embargo, sutiles diferencias en el apilamiento atómico les dan comportamientos electrónicos distintos y determinan cómo se utilizan en los dispositivos semiconductores.

Este artículo proporciona una explicación clara y original de cómo 4H-SiC y 6H-SiC difieren en estructura cristalina, propiedades físicas y aplicaciones prácticas.

1. Por qué el SiC forma diferentes politipos

El SiC está compuesto por capas alternas de silicio y carbono. Aunque cada capa tiene la misma disposición atómica, su orden de apilamiento puede cambiar. Esta secuencia de apilamiento es lo que genera diferentes politipos.

Una analogía simple es apilar cartas idénticas en diferentes patrones de desplazamiento. Las cartas no cambian, pero la forma general sí.

En SiC:

• un patrón corto y repetitivo crea un politipo como 4H,

• mientras que un patrón más largo crea 6H.

Incluso cambios estructurales tan pequeños son suficientes para alterar la estructura de bandas, los niveles de energía y la movilidad de los portadores.

2. Comparación de la estructura cristalina

4H-SiC

• La secuencia de apilamiento se repite cada cuatro capas

• La simetría cristalina es hexagonal

• La constante de red del eje C es aproximadamente 10.1 Å

Debido a que su secuencia de apilamiento es más corta y uniforme, el cristal resultante exhibe menos anisotropía y propiedades electrónicas más consistentes en diferentes direcciones.

6H-SiC

• La secuencia de apilamiento se repite cada seis capas

• Simetría cristalina hexagonal

• La constante de red del eje C es aproximadamente 15.1 Å

La mayor distancia de repetición crea múltiples sitios atómicos no equivalentes, lo que hace que la estructura de bandas sea más compleja y conduce a una movilidad de portadores dependiente de la dirección.

3. Banda prohibida y propiedades electrónicas

4H-SiC ofrece:

• banda prohibida más alta

• campo de ruptura más alto

• transporte de electrones más rápido

Estas características lo hacen especialmente adecuado para dispositivos de alta tensión y alta frecuencia.

6H-SiC, aunque sigue siendo un material de banda prohibida ancha, muestra una movilidad más baja debido a la secuencia de apilamiento más compleja.

4. Características térmicas y mecánicas

Ambos politipos comparten los mismos fuertes enlaces covalentes Si–C, lo que les da:

• alta conductividad térmica

• excelente resistencia mecánica

• resistencia a la radiación y la corrosión química

Los valores de conductividad térmica son similares:

• 4H-SiC ≈ 4.9 W/cm·K

• 6H-SiC ≈ 4.7 W/cm·K

Las diferencias son demasiado pequeñas para influir significativamente en la selección del dispositivo.

5. Aplicaciones: dónde sobresale cada politipo

4H-SiC: El estándar de la industria para la electrónica de potencia

4H-SiC es dominante en:

• MOSFETs

• Diodos Schottky

• Módulos de potencia

• Interruptores de alta tensión

• Convertidores de alta frecuencia

Su movilidad de electrones y campo de ruptura superiores mejoran directamente la eficiencia del dispositivo, la velocidad de conmutación y la robustez térmica. Esta es la razón por la que casi todos los dispositivos de potencia de SiC modernos se basan en 4H-SiC.

6H-SiC: nicho pero aún valioso

6H-SiC se utiliza en:

• Dispositivos de microondas

• Optoelectrónica

• Sustratos para epitaxia de GaN

• Fotodetectores UV

• Aplicaciones de investigación especializada

Debido a que sus propiedades electrónicas varían con la dirección del cristal, a veces permite comportamientos de materiales que no se pueden lograr con 4H-SiC.

6. ¿Qué politipo deben elegir los ingenieros?

Si el objetivo es:

• mayor voltaje

• mayor eficiencia

• mayor frecuencia de conmutación

• menor pérdida de conducción

entonces 4H-SiC es la elección clara.

Si la aplicación involucra:

• investigación de materiales experimentales

• comportamiento de RF de nicho

• compatibilidad con dispositivos heredados

entonces 6H-SiC sigue siendo útil.

7. Conclusión

Aunque 4H-SiC y 6H-SiC comparten la misma composición elemental, sus diferentes secuencias de apilamiento crean distintos paisajes electrónicos. Para la electrónica de potencia moderna, 4H-SiC ofrece un rendimiento superior y se ha convertido en el politipo dominante de la industria. Mientras tanto, 6H-SiC continúa desempeñando un papel importante en los campos optoelectrónicos y de RF especializados.

Comprender estas diferencias estructurales y electrónicas ayuda a los ingenieros a elegir el material más adecuado para los dispositivos semiconductores de próxima generación.