Structura și tehnologia de creștere a carburii de siliciu (Ⅱ)

Al patrulea, Metoda de transfer fizic al vaporilor

Metoda transportului fizic al vaporilor (PVT) provine din tehnologia de sublimare în fază de vapori inventată de Lely în 1955. Pulberea de SiC este plasată într-un tub de grafit și încălzită la temperatură ridicată pentru a descompune și sublima pulberea de SiC, iar apoi tubul de grafit este răcit.După descompunerea pulberii de SiC, componentele fazei de vapori sunt depuse și cristalizate în cristale de SiC în jurul tubului de grafit.Deși această metodă este dificil de obținut monocristale SiC de dimensiuni mari, iar procesul de depunere în tubul de grafit este dificil de controlat, oferă idei pentru cercetătorii ulterioare.
Ym Terarov și colab.în Rusia a introdus conceptul de cristale semințe pe această bază și a rezolvat problema formei cristalelor necontrolabile și a poziției de nucleare a cristalelor de SiC.Cercetătorii ulterioare au continuat să îmbunătățească și în cele din urmă au dezvoltat metoda de transport fizic în fază gazoasă (PVT) în uz industrial astăzi.

Fiind cea mai veche metodă de creștere a cristalelor de SiC, metoda de transfer fizic al vaporilor este cea mai populară metodă de creștere pentru creșterea cristalelor de SiC.În comparație cu alte metode, metoda are cerințe scăzute pentru echipament de creștere, proces simplu de creștere, controlabilitate puternică, dezvoltare și cercetare amănunțită și a realizat aplicații industriale.Structura cristalului crescut prin metoda curentă PVT este prezentată în figură.

Câmpurile de temperatură axială și radială pot fi controlate prin controlul condițiilor de izolare termică exterioară a creuzetului de grafit.Pulberea de SiC este plasată în partea de jos a creuzetului de grafit cu o temperatură mai mare, iar cristalul de semințe de SiC este fixat în partea de sus a creuzetului de grafit cu o temperatură mai scăzută.Distanța dintre pulbere și sămânță este în general controlată pentru a fi de zeci de milimetri pentru a evita contactul dintre monocristalul în creștere și pulbere.Gradientul de temperatură este de obicei în intervalul 15-35℃/cm.Un gaz inert de 50-5000 Pa este păstrat în cuptor pentru a crește convecția.În acest fel, după ce pulberea de SiC este încălzită la 2000-2500 ℃ prin încălzire prin inducție, pulberea de SiC se va sublima și se va descompune în Si, Si2C, SiC2 și alte componente de vapori și va fi transportată la capătul semințelor cu convecție cu gaz și Cristalul de SiC este cristalizat pe cristalul sămânță pentru a obține creșterea unui singur cristal.Rata sa de creștere tipică este de 0,1-2 mm/h.

Procesul PVT se concentrează pe controlul temperaturii de creștere, gradientului de temperatură, suprafeței de creștere, distanței pe suprafața materialului și presiunii de creștere, avantajul său este că procesul său este relativ matur, materiile prime sunt ușor de produs, costul este scăzut, dar procesul de creștere a Metoda PVT este dificil de observat, rata de creștere a cristalelor de 0,2-0,4 mm/h, este dificil să crească cristale cu grosime mare (>50 mm).După zeci de ani de eforturi continue, piața actuală a napolitanelor cu substrat SiC crescute prin metoda PVT a fost foarte uriașă, iar producția anuală a napolitanelor cu substrat SiC poate ajunge la sute de mii de napolitane, iar dimensiunea sa se schimbă treptat de la 4 inci la 6 inci. și a dezvoltat 8 inci de mostre de substrat SiC.

 

A cincea,Metoda de depunere chimică în vapori la temperatură înaltă

 

Depunerea chimică în vapori la temperatură înaltă (HTCVD) este o metodă îmbunătățită bazată pe depunerea chimică în vapori (CVD).Metoda a fost propusă pentru prima dată în 1995 de Kordina și colab., Universitatea Linkoping, Suedia.
Diagrama structurii de creștere este prezentată în figură:

Câmpurile de temperatură axială și radială pot fi controlate prin controlul condițiilor de izolare termică exterioară a creuzetului de grafit.Pulberea de SiC este plasată în partea de jos a creuzetului de grafit cu o temperatură mai mare, iar cristalul de semințe de SiC este fixat în partea de sus a creuzetului de grafit cu o temperatură mai scăzută.Distanța dintre pulbere și sămânță este în general controlată pentru a fi de zeci de milimetri pentru a evita contactul dintre monocristalul în creștere și pulbere.Gradientul de temperatură este de obicei în intervalul 15-35℃/cm.Un gaz inert de 50-5000 Pa este păstrat în cuptor pentru a crește convecția.În acest fel, după ce pulberea de SiC este încălzită la 2000-2500 ℃ prin încălzire prin inducție, pulberea de SiC se va sublima și se va descompune în Si, Si2C, SiC2 și alte componente de vapori și va fi transportată la capătul semințelor cu convecție cu gaz și Cristalul de SiC este cristalizat pe cristalul sămânță pentru a obține creșterea unui singur cristal.Rata sa de creștere tipică este de 0,1-2 mm/h.

Procesul PVT se concentrează pe controlul temperaturii de creștere, gradientului de temperatură, suprafeței de creștere, distanței pe suprafața materialului și presiunii de creștere, avantajul său este că procesul său este relativ matur, materiile prime sunt ușor de produs, costul este scăzut, dar procesul de creștere a Metoda PVT este dificil de observat, rata de creștere a cristalelor de 0,2-0,4 mm/h, este dificil să crească cristale cu grosime mare (>50 mm).După zeci de ani de eforturi continue, piața actuală a napolitanelor cu substrat SiC crescute prin metoda PVT a fost foarte uriașă, iar producția anuală a napolitanelor cu substrat SiC poate ajunge la sute de mii de napolitane, iar dimensiunea sa se schimbă treptat de la 4 inci la 6 inci. și a dezvoltat 8 inci de mostre de substrat SiC.

 

A cincea,Metoda de depunere chimică în vapori la temperatură înaltă

 

Depunerea chimică în vapori la temperatură înaltă (HTCVD) este o metodă îmbunătățită bazată pe depunerea chimică în vapori (CVD).Metoda a fost propusă pentru prima dată în 1995 de Kordina și colab., Universitatea Linkoping, Suedia.
Diagrama structurii de creștere este prezentată în figură:

Când cristalul de SiC este crescut prin metoda fază lichidă, temperatura și distribuția convecției în interiorul soluției auxiliare sunt prezentate în figură:

Se poate observa că temperatura în apropierea peretelui creuzetului în soluția auxiliară este mai mare, în timp ce temperatura la cristalul sămânță este mai scăzută.În timpul procesului de creștere, creuzetul de grafit oferă sursa de C pentru creșterea cristalelor.Deoarece temperatura la peretele creuzetului este mare, solubilitatea C este mare, iar viteza de dizolvare este rapidă, o cantitate mare de C va fi dizolvată la peretele creuzetului pentru a forma o soluție saturată de C. Aceste soluții cu o cantitate mare de C dizolvat va fi transportat în partea inferioară a cristalelor sămânță prin convecție în soluția auxiliară.Datorită temperaturii scăzute a capătului de cristal de sămânță, solubilitatea C-ului corespunzător scade în mod corespunzător, iar soluția inițială saturată de C devine o soluție suprasaturată de C după ce a fost transferată la capătul de temperatură joasă în această condiție.C supraaturat în soluție combinat cu Si în soluție auxiliară poate crește cristalul de SiC epitaxial pe cristalul sămânță.Când partea superforată de C precipită, soluția se întoarce la capătul cu temperatură ridicată al peretelui creuzetului cu convecție și dizolvă C din nou pentru a forma o soluție saturată.

Întregul proces se repetă, iar cristalul de SiC crește.În procesul de creștere în fază lichidă, dizolvarea și precipitarea C în soluție este un indice foarte important al progresului creșterii.Pentru a asigura o creștere stabilă a cristalelor, este necesar să se mențină un echilibru între dizolvarea C la peretele creuzetului și precipitarea la capătul semințelor.Dacă dizolvarea C este mai mare decât precipitarea C, atunci C din cristal se îmbogățește treptat și va avea loc nuclearea spontană a SiC.Dacă dizolvarea C este mai mică decât precipitarea C, creșterea cristalului va fi dificil de realizat din cauza lipsei de solut.
În același timp, transportul C prin convecție afectează și furnizarea de C în timpul creșterii.Pentru a crește cristale de SiC cu o calitate a cristalului suficient de bună și o grosime suficientă, este necesar să se asigure echilibrul celor trei elemente de mai sus, ceea ce crește foarte mult dificultatea creșterii în fază lichidă a SiC.Cu toate acestea, odată cu îmbunătățirea și îmbunătățirea treptată a teoriilor și tehnologiilor conexe, avantajele creșterii în fază lichidă a cristalelor de SiC se vor arăta treptat.
În prezent, creșterea în fază lichidă a cristalelor de SiC de 2 inchi poate fi realizată în Japonia, iar creșterea în fază lichidă a cristalelor de 4 inci este, de asemenea, în curs de dezvoltare.În prezent, cercetarea națională relevantă nu a înregistrat rezultate bune și este necesar să se continue lucrările de cercetare relevante.

 

Al șaptelea, Proprietățile fizice și chimice ale cristalelor de SiC

 

(1) Proprietăți mecanice: cristalele de SiC au duritate extrem de ridicată și rezistență bună la uzură.Duritatea Mohs este între 9,2 și 9,3, iar duritatea Krit este între 2900 și 3100Kg/mm2, care este a doua după cristalele de diamant printre materialele care au fost descoperite.Datorită proprietăților mecanice excelente ale SiC, pulberea de SiC este adesea folosită în industria de tăiere sau măcinare, cu o cerere anuală de până la milioane de tone.Acoperirea rezistentă la uzură de pe unele piese de prelucrat va folosi și acoperire SiC, de exemplu, acoperirea rezistentă la uzură de pe unele nave de război este compusă din acoperire SiC.

(2) Proprietăți termice: conductivitatea termică a SiC poate ajunge la 3-5 W/cm·K, care este de 3 ori mai mare decât a semiconductorului tradițional Si și de 8 ori mai mare decât a GaAs.Producția de căldură a dispozitivului pregătit cu SiC poate fi îndepărtată rapid, astfel încât cerințele condițiilor de disipare a căldurii ale dispozitivului SiC sunt relativ slabe și este mai potrivit pentru pregătirea dispozitivelor de mare putere.SiC are proprietăți termodinamice stabile.În condiții normale de presiune, SiC va fi descompus direct în vapori care conțin Si și C la un nivel mai mare.

(3) Proprietăți chimice: SiC are proprietăți chimice stabile, rezistență bună la coroziune și nu reacționează cu niciun acid cunoscut la temperatura camerei.SiC plasat în aer pentru o perioadă lungă de timp va forma încet un strat subțire de SiO2 dens, prevenind reacțiile de oxidare ulterioare.Când temperatura crește la peste 1700℃, stratul subțire de SiO2 se topește și se oxidează rapid.SiC poate suferi o reacție lentă de oxidare cu oxidanții sau bazele topite, iar plachetele de SiC sunt de obicei corodate în KOH topit și Na2O2 pentru a caracteriza dislocarea în cristale de SiC..

(4) Proprietăți electrice: SiC ca material reprezentativ pentru semiconductori cu bandă interzisă largă, lățimile benzii interzise 6H-SiC și 4H-SiC sunt de 3,0 eV și, respectiv, 3,2 eV, care este de 3 ori mai mare decât cea a Si și de 2 ori mai mare decât cea a GaAs.Dispozitivele semiconductoare fabricate din SiC au un curent de scurgere mai mic și un câmp electric de defalcare mai mare, astfel încât SiC este considerat un material ideal pentru dispozitivele de mare putere.Mobilitatea electronică saturată a SiC este, de asemenea, de 2 ori mai mare decât cea a Si, și are, de asemenea, avantaje evidente în pregătirea dispozitivelor de înaltă frecvență.Cristale de SiC de tip P sau cristale de SiC de tip N pot fi obținute prin doparea atomilor de impurități din cristale.În prezent, cristalele de SiC de tip P sunt dopate în principal de Al, B, Be, O, Ga, Sc și alți atomi, iar cristalele de sic de tip N sunt dopate în principal de atomi de N.Diferența de concentrație și tip de dopaj va avea un impact mare asupra proprietăților fizice și chimice ale SiC.În același timp, purtătorul liber poate fi bătut în cuie de dopajul la nivel profund, cum ar fi V, rezistivitatea poate fi crescută și poate fi obținut cristalul de SiC semiizolant.

(5) Proprietăți optice: Datorită intervalului de bandă relativ mare, cristalul de SiC nedopat este incolor și transparent.Cristalele de SiC dopate prezintă culori diferite datorită proprietăților lor diferite, de exemplu, 6H-SiC este verde după doparea cu N;4H-SiC este maro.15R-SiC este galben.Dopat cu Al, 4H-SiC apare albastru.Este o metodă intuitivă de a distinge tipul de cristal de SiC observând diferența de culoare.Odată cu cercetările continue asupra domeniilor legate de SiC în ultimii 20 de ani, s-au făcut progrese mari în tehnologiile conexe.

 

Al optulea,Introducerea stării de dezvoltare a SiC

În prezent, industria SiC a devenit din ce în ce mai perfectă, de la napolitane de substrat, napolitane epitaxiale până la producția de dispozitive, ambalare, întregul lanț industrial s-a maturizat și poate furniza pieței produse conexe SiC.

Cree este lider în industria de creștere a cristalelor de SiC, cu o poziție de lider atât în ​​ceea ce privește dimensiunea, cât și calitatea plăcilor de substrat SiC.Cree produce în prezent 300.000 de cipuri de substrat SiC pe an, reprezentând peste 80% din livrările globale.

În septembrie 2019, Cree a anunțat că va construi o nouă unitate în statul New York, SUA, care va folosi cea mai avansată tehnologie pentru a crește puterea cu diametrul de 200 mm și napolitanele de substrat RF SiC, indicând faptul că tehnologia sa de pregătire a materialului de substrat SiC de 200 mm are devin mai maturi.

În prezent, produsele principale ale cipurilor de substrat SiC de pe piață sunt în principal 4H-SiC și 6H-SiC conductoare și semi-izolate de 2-6 inci.
În octombrie 2015, Cree a fost primul care a lansat plachete cu substrat SiC de 200 mm pentru tip N și LED, marcând începutul pe piață a plăcilor cu substrat SiC de 8 inchi.
În 2016, Romm a început să sponsorizeze echipa Venturi și a fost primul care a folosit combinația IGBT + SiC SBD în mașină pentru a înlocui soluția IGBT + Si FRD în invertorul tradițional de 200 kW.După îmbunătățire, greutatea invertorului este redusă cu 2 kg, iar dimensiunea este redusă cu 19%, păstrând aceeași putere.

În 2017, după adoptarea ulterioară a SiC MOS + SiC SBD, nu doar greutatea este redusă cu 6 kg, dimensiunea este redusă cu 43%, iar puterea invertorului este, de asemenea, crescută de la 200 kW la 220 kW.
După ce, în 2018, Tesla a adoptat dispozitive bazate pe SIC în invertoarele principale ale produselor sale Model 3, efectul demonstrativ a fost amplificat rapid, făcând din piața auto xEV în curând o sursă de entuziasm pentru piața SiC.Odată cu aplicarea cu succes a SiC, valoarea producției sale de piață a crescut, de asemenea, rapid.

Nouălea,Concluzie:

Odată cu îmbunătățirea continuă a tehnologiilor industriei legate de SiC, randamentul și fiabilitatea acestuia vor fi îmbunătățite în continuare, prețul dispozitivelor SiC va fi, de asemenea, redus, iar competitivitatea pe piață a SiC va fi mai evidentă.În viitor, dispozitivele SiC vor fi utilizate mai pe scară largă în diverse domenii, cum ar fi automobile, comunicații, rețele electrice și transport, iar piața produselor va fi mai largă, iar dimensiunea pieței va fi extinsă în continuare, devenind un suport important pentru sectorul național. economie.