Struktura in tehnologija rasti silicijevega karbida (Ⅱ)

Četrtič, Metoda fizičnega prenosa pare

Metoda fizičnega prenosa hlapov (PVT) izvira iz tehnologije sublimacije parne faze, ki jo je izumil Lely leta 1955. SiC prah se postavi v grafitno cev in segreje na visoko temperaturo, da se prah SiC razgradi in sublimira, nato pa se grafitna cev ohladi.Po razpadu prahu SiC se komponente parne faze odložijo in kristalizirajo v kristale SiC okoli grafitne cevi.Čeprav je s to metodo težko pridobiti monokristale SiC velike velikosti in je proces nanašanja v grafitni cevi težko nadzorovati, daje ideje za nadaljnje raziskovalce.
Ym Terairov et al.v Rusiji na tej osnovi uvedel koncept zarodnih kristalov in rešil problem nenadzorovane kristalne oblike in položaja nukleacije kristalov SiC.Kasnejši raziskovalci so še naprej izboljševali in sčasoma razvili metodo fizičnega transporta plinske faze (PVT) v današnji industrijski uporabi.

Kot najzgodnejša metoda rasti kristalov SiC je metoda fizikalnega prenosa pare najbolj razširjena metoda rasti za rast kristalov SiC.V primerjavi z drugimi metodami ima metoda nizke zahteve glede opreme za rast, preprost postopek rasti, močno nadzorovanost, temeljit razvoj in raziskave ter realizirano industrijsko uporabo.Struktura kristala, vzgojenega s trenutno glavno metodo PVT, je prikazana na sliki.

Aksialna in radialna temperaturna polja je mogoče nadzorovati z nadzorom zunanjih toplotnoizolacijskih pogojev grafitnega lončka.Prah SiC je postavljen na dno grafitnega lončka z višjo temperaturo, zarodni kristal SiC pa je fiksiran na vrhu grafitnega lončka z nižjo temperaturo.Razdalja med prahom in semenom je običajno nadzorovana na desetine milimetrov, da se prepreči stik med rastočim monokristalom in prahom.Temperaturni gradient je običajno v območju 15-35 ℃/cm.Inertni plin 50-5000 Pa se hrani v peči za povečanje konvekcije.Na ta način, potem ko se prah SiC segreje na 2000-2500 ℃ z indukcijskim segrevanjem, bo prah SiC sublimiral in razpadel na Si, Si2C, SiC2 in druge parne komponente ter se s konvekcijo plina prepeljal do sejalnega konca in Kristal SiC se kristalizira na zarodnem kristalu, da se doseže rast posameznega kristala.Njegova tipična hitrost rasti je 0,1-2 mm/h.

Proces PVT se osredotoča na nadzor temperature rasti, temperaturnega gradienta, površine rasti, razmika med površinami materiala in tlaka rasti, njegova prednost je, da je postopek razmeroma zrel, surovine je enostavno proizvesti, stroški so nizki, vendar proces rasti Metodo PVT je težko opazovati, hitrost rasti kristalov 0,2-0,4 mm/h, težko je gojiti kristale z veliko debelino (> 50 mm).Po desetletjih nenehnih prizadevanj je trenutni trg rezin substrata SiC, pridelanih po metodi PVT, zelo ogromen in letna proizvodnja rezin substrata SiC lahko doseže več sto tisoč rezin, njegova velikost pa se postopoma spreminja s 4 palcev na 6 palcev. , in je razvil 8-palčne vzorce substrata SiC.

 

petič,Metoda kemičnega naparjevanja pri visoki temperaturi

 

Visokotemperaturno kemično nanašanje s paro (HTCVD) je izboljšana metoda, ki temelji na kemičnem nanašanju s paro (CVD).Metodo so leta 1995 prvič predlagali Kordina et al., Linkoping University, Švedska.
Diagram strukture rasti je prikazan na sliki:

Aksialna in radialna temperaturna polja je mogoče nadzorovati z nadzorom zunanjih toplotnoizolacijskih pogojev grafitnega lončka.Prah SiC je postavljen na dno grafitnega lončka z višjo temperaturo, zarodni kristal SiC pa je fiksiran na vrhu grafitnega lončka z nižjo temperaturo.Razdalja med prahom in semenom je običajno nadzorovana na desetine milimetrov, da se prepreči stik med rastočim monokristalom in prahom.Temperaturni gradient je običajno v območju 15-35 ℃/cm.Inertni plin 50-5000 Pa se hrani v peči za povečanje konvekcije.Na ta način, potem ko se prah SiC segreje na 2000-2500 ℃ z indukcijskim segrevanjem, bo prah SiC sublimiral in razpadel na Si, Si2C, SiC2 in druge parne komponente ter se s konvekcijo plina prepeljal do sejalnega konca in Kristal SiC se kristalizira na zarodnem kristalu, da se doseže rast posameznega kristala.Njegova tipična hitrost rasti je 0,1-2 mm/h.

Proces PVT se osredotoča na nadzor temperature rasti, temperaturnega gradienta, površine rasti, razmika med površinami materiala in tlaka rasti, njegova prednost je, da je postopek razmeroma zrel, surovine je enostavno proizvesti, stroški so nizki, vendar proces rasti Metodo PVT je težko opazovati, hitrost rasti kristalov 0,2-0,4 mm/h, težko je gojiti kristale z veliko debelino (> 50 mm).Po desetletjih nenehnih prizadevanj je trenutni trg rezin substrata SiC, pridelanih po metodi PVT, zelo ogromen in letna proizvodnja rezin substrata SiC lahko doseže več sto tisoč rezin, njegova velikost pa se postopoma spreminja s 4 palcev na 6 palcev. , in je razvil 8-palčne vzorce substrata SiC.

 

petič,Metoda kemičnega naparjevanja pri visoki temperaturi

 

Visokotemperaturno kemično nanašanje s paro (HTCVD) je izboljšana metoda, ki temelji na kemičnem nanašanju s paro (CVD).Metodo so leta 1995 prvič predlagali Kordina et al., Linkoping University, Švedska.
Diagram strukture rasti je prikazan na sliki:

Ko se kristal SiC goji z metodo tekoče faze, sta porazdelitev temperature in konvekcije v pomožni raztopini prikazani na sliki:

Vidimo, da je temperatura ob steni lončka v pomožni raztopini višja, medtem ko je temperatura pri zarodku nižja.Med procesom rasti grafitni lonček zagotavlja vir C za rast kristalov.Ker je temperatura na steni lončka visoka, topnost C velika in stopnja raztapljanja hitra, bo velika količina C raztopljena na steni lončka, da nastane nasičena raztopina C. Te raztopine z veliko količino raztopljenega C se bo s konvekcijo v pomožni raztopini preneslo v spodnji del zarodnih kristalov.Zaradi nizke temperature začetnega kristalnega konca se topnost ustreznega C ustrezno zmanjša in prvotna s C nasičena raztopina postane prenasičena raztopina C po prenosu na nizkotemperaturni konec pod tem pogojem.Nadnasičen C v raztopini v kombinaciji s Si v pomožni raztopini lahko zraste kristal SiC epitaksialno na začetnem kristalu.Ko se superforirani del C obori, se raztopina vrne na visokotemperaturni konec stene lončka s konvekcijo in ponovno raztopi C, da nastane nasičena raztopina.

Celoten proces se ponavlja, kristal SiC pa raste.V procesu rasti tekoče faze je raztapljanje in obarjanje C v raztopini zelo pomemben indeks napredka rasti.Da bi zagotovili stabilno rast kristalov, je treba ohraniti ravnovesje med raztapljanjem C na steni lončka in obarjanjem na koncu kalitve.Če je raztapljanje C večje od obarjanja C, se C v kristalu postopoma obogati in pride do spontane nukleacije SiC.Če je raztapljanje C manjše od obarjanja C, bo rast kristalov težko izvesti zaradi pomanjkanja topljenca.
Hkrati transport C s konvekcijo vpliva tudi na oskrbo s C med rastjo.Za rast kristalov SiC z dovolj dobro kakovostjo kristalov in zadostno debelino je treba zagotoviti ravnovesje zgornjih treh elementov, kar močno poveča težavnost rasti tekoče faze SiC.Vendar pa se bodo s postopnim izboljšanjem in izboljšanjem povezanih teorij in tehnologij postopoma pokazale prednosti rasti kristalov SiC v tekoči fazi.
Trenutno je na Japonskem mogoče doseči rast tekoče faze 2-palčnih kristalov SiC, prav tako se razvija tekoča faza rasti 4-palčnih kristalov.Ustrezne domače raziskave trenutno niso pokazale dobrih rezultatov, zato je potrebno ustrezno raziskovalno delo nadaljevati.

 

sedmič, Fizikalne in kemijske lastnosti kristalov SiC

 

(1) Mehanske lastnosti: kristali SiC imajo izjemno visoko trdoto in dobro odpornost proti obrabi.Njegova trdota po Mohsu je med 9,2 in 9,3, trdota po Kritu pa med 2900 in 3100 kg/mm2, kar je med odkritimi materiali takoj za kristali diamantov.Zaradi odličnih mehanskih lastnosti SiC se praškasti SiC pogosto uporablja v industriji rezanja ali brušenja, pri čemer letna potreba znaša do milijonov ton.Prevleka, odporna proti obrabi, na nekaterih obdelovancih bo prav tako uporabljala prevleko iz SiC, na primer, obrabno odporna prevleka na nekaterih vojaških ladjah je sestavljena iz SiC prevleke.

(2) Toplotne lastnosti: toplotna prevodnost SiC lahko doseže 3-5 W/cm·K, kar je 3-krat več kot pri tradicionalnem polprevodniku Si in 8-krat več kot pri GaAs.Proizvodnjo toplote naprave, ki jo pripravi SiC, je mogoče hitro odvesti, zato so zahteve glede pogojev odvajanja toplote naprave SiC razmeroma ohlapne in je bolj primerna za pripravo naprav z visoko močjo.SiC ima stabilne termodinamične lastnosti.Pod normalnimi tlačnimi pogoji se SiC neposredno razgradi v paro, ki vsebuje Si in C pri višjih vrednostih.

(3) Kemijske lastnosti: SiC ima stabilne kemične lastnosti, dobro odpornost proti koroziji in ne reagira z nobeno znano kislino pri sobni temperaturi.SiC, ki je dlje časa na zraku, bo počasi oblikoval tanko plast gostega SiO2, ki preprečuje nadaljnje oksidacijske reakcije.Ko se temperatura dvigne na več kot 1700 ℃, se tanka plast SiO2 stopi in hitro oksidira.SiC je lahko podvržen počasni oksidacijski reakciji s staljenimi oksidanti ali bazami, rezine SiC pa so običajno korodirane v staljenem KOH in Na2O2, da se označi dislokacija v kristalih SiC.

(4) Električne lastnosti: SiC kot reprezentativni material za polprevodnike s široko pasovno vrzeljo sta širini pasovne vrzeli 6H-SiC in 4H-SiC 3,0 eV oziroma 3,2 eV, kar je 3-krat več kot pri Si in 2-krat več kot pri GaAs.Polprevodniške naprave iz SiC imajo manjši uhajalni tok in večje prebojno električno polje, zato velja SiC za idealen material za visokozmogljive naprave.Mobilnost nasičenih elektronov SiC je tudi 2-krat večja kot pri Si, prav tako pa ima očitne prednosti pri pripravi visokofrekvenčnih naprav.Kristale SiC tipa P ali kristale SiC tipa N lahko dobimo z dopiranjem atomov nečistoč v kristalih.Trenutno so kristali SiC tipa P večinoma dopirani z atomi Al, B, Be, O, Ga, Sc in drugimi atomi, kristali sic tipa N pa so večinoma dopirani z atomi N.Razlika v koncentraciji in vrsti dopinga bo močno vplivala na fizikalne in kemijske lastnosti SiC.Hkrati lahko prosti nosilec pribijemo z globokim dopiranjem, kot je V, lahko povečamo upornost in dobimo polizolacijski kristal SiC.

(5) Optične lastnosti: zaradi razmeroma široke vrzeli v pasu je nedopiran kristal SiC brezbarven in prozoren.Dopirani kristali SiC kažejo različne barve zaradi različnih lastnosti, na primer 6H-SiC je zelen po dopiranju N;4H-SiC je rjava.15R-SiC je rumen.Dopiran z Al, je 4H-SiC videti moder.To je intuitivna metoda za razlikovanje vrste kristala SiC z opazovanjem razlike v barvi.Z nenehnimi raziskavami na področjih, povezanih s SiC, v zadnjih 20 letih so bili doseženi veliki preboji v povezanih tehnologijah.

 

osmo,Predstavitev statusa razvoja SiC

Trenutno je industrija SiC postala vse bolj popolna, od substratnih rezin, epitaksialnih rezin do proizvodnje naprav, pakiranja, celotna industrijska veriga je dozorela in lahko na trg dobavlja izdelke, povezane s SiC.

Cree je vodilni v industriji rasti kristalov SiC z vodilnim položajem tako pri velikosti kot kakovosti substratnih rezin SiC.Cree trenutno proizvede 300.000 substratnih čipov SiC na leto, kar predstavlja več kot 80 % svetovnih pošiljk.

Septembra 2019 je Cree napovedal, da bo zgradil nov obrat v zvezni državi New York v ZDA, ki bo uporabljal najnaprednejšo tehnologijo za gojenje močnostnih in RF substratnih rezin SiC s premerom 200 mm, kar nakazuje, da je njegova tehnologija priprave substrata 200 mm SiC postati bolj zrel.

Trenutno so glavni proizvodi substratnih čipov SiC na trgu predvsem 4H-SiC in 6H-SiC prevodni in polizolirani tipi 2-6 palcev.
Oktobra 2015 je Cree prvi lansiral 200 mm SiC substratne rezine za N-tip in LED, s čimer je na trg zaznamoval 8-palčne SiC substratne rezine.
Leta 2016 je Romm začel sponzorirati ekipo Venturi in bil prvi, ki je v avtomobilu uporabil kombinacijo IGBT + SiC SBD, da bi nadomestil rešitev IGBT + Si FRD v tradicionalnem 200 kW pretvorniku.Po izboljšavi se teža inverterja zmanjša za 2 kg in velikost zmanjša za 19 % ob ohranitvi enake moči.

V letu 2017, po nadaljnjem sprejetju SiC MOS + SiC SBD, se ne samo teža zmanjša za 6 kg, velikost se zmanjša za 43 %, moč pretvornika pa se poveča tudi z 200 kW na 220 kW.
Potem ko je Tesla leta 2018 sprejel naprave, ki temeljijo na SIC, v glavnih pogonskih pretvornikih svojih izdelkov Model 3, se je demonstracijski učinek hitro povečal, zaradi česar je avtomobilski trg xEV kmalu postal vir navdušenja za trg SiC.Z uspešno uporabo SiC se je tudi z njim povezana tržna vrednost proizvodnje hitro povečala.

devetič,Zaključek:

Z nenehnim izboljševanjem industrijskih tehnologij, povezanih s SiC, se bosta izkoristek in zanesljivost še izboljšala, znižala se bo tudi cena naprav SiC, tržna konkurenčnost SiC pa bo bolj očitna.V prihodnosti se bodo naprave SiC pogosteje uporabljale na različnih področjih, kot so avtomobili, komunikacije, električna omrežja in transport, trg izdelkov pa bo širši, velikost trga pa se bo še razširila in postala pomembna podpora za nacionalno gospodarstvo.