Estrutura e tecnoloxía de crecemento do carburo de silicio (Ⅱ)

Cuarto, Método físico de transferencia de vapor

O método de transporte físico de vapor (PVT) orixinouse a partir da tecnoloxía de sublimación en fase de vapor inventada por Lely en 1955. O po de SiC colócase nun tubo de grafito e quéntase a alta temperatura para descompoñer e sublimar o po de SiC, e despois arrefríase o tubo de grafito. Despois da descomposición do po de SiC, os compoñentes da fase de vapor son depositados e cristalizados en cristais de SiC ao redor do tubo de grafito. Aínda que este método é difícil de obter monocristais de SiC de gran tamaño e o proceso de deposición no tubo de grafito é difícil de controlar, proporciona ideas para os investigadores posteriores.
Ym Terairov et al. en Rusia introduciu o concepto de cristais de semente sobre esta base, e resolveu o problema da forma incontrolable do cristal e da posición de nucleación dos cristais de SiC. Os investigadores posteriores continuaron mellorando e finalmente desenvolveron o método de transporte físico en fase gaseosa (PVT) no uso industrial actual.

Como o método máis antigo de crecemento de cristais de SiC, o método de transferencia de vapor físico é o método de crecemento máis común para o crecemento de cristais de SiC. En comparación con outros métodos, o método ten baixos requisitos para equipos de crecemento, proceso de crecemento sinxelo, forte controlabilidade, desenvolvemento e investigación exhaustivos e realizou unha aplicación industrial. Na figura móstrase a estrutura do cristal cultivado polo método actual de PVT.

Os campos de temperatura axial e radial poden controlarse controlando as condicións de illamento térmico externo do crisol de grafito. O po de SiC colócase na parte inferior do crisol de grafito cunha temperatura máis alta e o cristal de semente de SiC fíxase na parte superior do crisol de grafito cunha temperatura máis baixa. A distancia entre o po e a semente é xeralmente controlada en decenas de milímetros para evitar o contacto entre o cristal único en crecemento e o po. O gradiente de temperatura adoita estar no rango de 15-35 ℃/cm. Un gas inerte de 50-5000 Pa mantense no forno para aumentar a convección. Deste xeito, despois de que o po de SiC se quenta a 2000-2500 ℃ por indución, o po de SiC sublimarase e descompoñerase en Si, Si2C, SiC2 e outros compoñentes de vapor, e transportarase ata o extremo da semente con convección de gas e o O cristal de SiC cristalízase no cristal de semente para lograr o crecemento de cristal único. A súa taxa de crecemento típica é de 0,1-2 mm/h.

O proceso de PVT céntrase no control da temperatura de crecemento, gradiente de temperatura, superficie de crecemento, espazo de superficie do material e presión de crecemento, a súa vantaxe é que o seu proceso é relativamente maduro, as materias primas son fáciles de producir, o custo é baixo, pero o proceso de crecemento de O método PVT é difícil de observar, a taxa de crecemento de cristais de 0,2-0,4 mm/h, é difícil cultivar cristais con gran espesor (> 50 mm). Despois de décadas de esforzos continuos, o mercado actual de obleas de substrato de SiC cultivadas polo método PVT foi moi enorme, e a produción anual de obleas de substrato de SiC pode chegar a centos de miles de obleas e o seu tamaño está cambiando gradualmente de 4 polgadas a 6 polgadas. , e desenvolveu 8 polgadas de mostras de substrato de SiC.

 

Quinto,Método de deposición química de vapor a alta temperatura

 

A deposición química en vapor a alta temperatura (HTCVD) é un método mellorado baseado na deposición en vapor químico (CVD). O método foi proposto por primeira vez en 1995 por Kordina et al., Universidade de Linkoping, Suecia.
O diagrama da estrutura do crecemento móstrase na figura:

Os campos de temperatura axial e radial poden controlarse controlando as condicións de illamento térmico externo do crisol de grafito. O po de SiC colócase na parte inferior do crisol de grafito cunha temperatura máis alta e o cristal de semente de SiC fíxase na parte superior do crisol de grafito cunha temperatura máis baixa. A distancia entre o po e a semente é xeralmente controlada en decenas de milímetros para evitar o contacto entre o cristal único en crecemento e o po. O gradiente de temperatura adoita estar no rango de 15-35 ℃/cm. Un gas inerte de 50-5000 Pa mantense no forno para aumentar a convección. Deste xeito, despois de que o po de SiC se quenta a 2000-2500 ℃ por indución, o po de SiC sublimarase e descompoñerase en Si, Si2C, SiC2 e outros compoñentes de vapor, e transportarase ata o extremo da semente con convección de gas e o O cristal de SiC cristalízase no cristal de semente para lograr o crecemento de cristal único. A súa taxa de crecemento típica é de 0,1-2 mm/h.

O proceso de PVT céntrase no control da temperatura de crecemento, gradiente de temperatura, superficie de crecemento, espazo de superficie do material e presión de crecemento, a súa vantaxe é que o seu proceso é relativamente maduro, as materias primas son fáciles de producir, o custo é baixo, pero o proceso de crecemento de O método PVT é difícil de observar, a taxa de crecemento de cristais de 0,2-0,4 mm/h, é difícil cultivar cristais con gran espesor (> 50 mm). Despois de décadas de esforzos continuos, o mercado actual de obleas de substrato de SiC cultivadas polo método PVT foi moi enorme, e a produción anual de obleas de substrato de SiC pode chegar a centos de miles de obleas e o seu tamaño está cambiando gradualmente de 4 polgadas a 6 polgadas. , e desenvolveu 8 polgadas de mostras de substrato de SiC.

 

Quinto,Método de deposición química de vapor a alta temperatura

 

A deposición química en vapor a alta temperatura (HTCVD) é un método mellorado baseado na deposición en vapor químico (CVD). O método foi proposto por primeira vez en 1995 por Kordina et al., Universidade de Linkoping, Suecia.
O diagrama da estrutura do crecemento móstrase na figura:

Cando o cristal de SiC crece polo método da fase líquida, a distribución de temperatura e convección dentro da solución auxiliar móstrase na figura:

Pódese ver que a temperatura preto da parede do crisol na solución auxiliar é máis alta, mentres que a temperatura no cristal da semente é máis baixa. Durante o proceso de crecemento, o crisol de grafito proporciona unha fonte de C para o crecemento dos cristais. Debido a que a temperatura na parede do crisol é alta, a solubilidade de C é grande e a velocidade de disolución é rápida, unha gran cantidade de C disolverase na parede do crisol para formar unha solución saturada de C. Estas solucións cunha gran cantidade de C. de C disolto transportarase á parte inferior dos cristais sementes por convección dentro da solución auxiliar. Debido á baixa temperatura do extremo do cristal de semente, a solubilidade do C correspondente diminúe de forma correspondente e a solución saturada de C orixinal convértese nunha solución sobresaturada de C despois de ser transferida ao extremo de baixa temperatura nestas condicións. O C supraaturado en solución combinado con Si en solución auxiliar pode crecer cristal de SiC epitaxial sobre cristal semente. Cando a parte superforada de C precipita, a solución volve ao extremo de alta temperatura da parede do crisol con convección e disolve C de novo para formar unha solución saturada.

Todo o proceso repítese e o cristal de SiC crece. No proceso de crecemento en fase líquida, a disolución e precipitación de C en solución é un índice moi importante do progreso do crecemento. Para garantir un crecemento estable dos cristais, é necesario manter un equilibrio entre a disolución de C na parede do crisol e a precipitación no extremo da semente. Se a disolución de C é maior que a precipitación de C, entón o C no cristal vaise enriquecendo gradualmente e producirase a nucleación espontánea de SiC. Se a disolución de C é menor que a precipitación de C, o crecemento do cristal será difícil de levar a cabo debido á falta de soluto.
Ao mesmo tempo, o transporte de C por convección tamén afecta á oferta de C durante o crecemento. Para cultivar cristais de SiC cunha calidade de cristal suficientemente boa e un grosor suficiente, é necesario garantir o equilibrio dos tres elementos anteriores, o que aumenta moito a dificultade do crecemento en fase líquida de SiC. Non obstante, coa mellora gradual e mellora das teorías e tecnoloxías relacionadas, as vantaxes do crecemento en fase líquida dos cristais de SiC iranse mostrando gradualmente.
Na actualidade, o crecemento en fase líquida de cristais de SiC de 2 polgadas pódese conseguir en Xapón, e tamén se está a desenvolver o crecemento en fase líquida de cristais de 4 polgadas. Na actualidade, a investigación doméstica relevante non obtivo bos resultados e é necesario facer un seguimento do traballo de investigación pertinente.

 

Sétimo, Propiedades físicas e químicas dos cristais de SiC

 

(1) Propiedades mecánicas: os cristais de SiC teñen unha dureza extremadamente alta e unha boa resistencia ao desgaste. A súa dureza Mohs está entre 9,2 e 9,3, e a súa dureza Krit está entre 2900 e 3100Kg/mm2, que é o segundo só despois dos cristais de diamante entre os materiais que foron descubertos. Debido ás excelentes propiedades mecánicas do SiC, o SiC en po úsase a miúdo na industria de corte ou moenda, cunha demanda anual de ata millóns de toneladas. O revestimento resistente ao desgaste nalgunhas pezas tamén utilizará un revestimento de SiC, por exemplo, o revestimento resistente ao desgaste nalgúns buques de guerra está composto por revestimento de SiC.

(2) Propiedades térmicas: a condutividade térmica do SiC pode alcanzar 3-5 W/cm·K, que é 3 veces a do Si semicondutor tradicional e 8 veces a do GaAs. A produción de calor do dispositivo preparado por SiC pódese eliminar rapidamente, polo que os requisitos das condicións de disipación de calor do dispositivo SiC son relativamente soltos e é máis axeitado para a preparación de dispositivos de alta potencia. SiC ten propiedades termodinámicas estables. En condicións normais de presión, o SiC descompoñerase directamente en vapor que contén Si e C a maiores.

(3) Propiedades químicas: o SiC ten propiedades químicas estables, boa resistencia á corrosión e non reacciona con ningún ácido coñecido a temperatura ambiente. O SiC colocado no aire durante moito tempo formará lentamente unha fina capa de SiO2 denso, evitando novas reaccións de oxidación. Cando a temperatura sobe a máis de 1700 ℃, a capa delgada de SiO2 derrete e oxídase rapidamente. O SiC pode sufrir unha reacción de oxidación lenta con oxidantes ou bases fundidas, e as obleas de SiC adoitan corroerse en KOH e Na2O2 fundidos para caracterizar a dislocación nos cristais de SiC..

(4) Propiedades eléctricas: SiC como material representativo dos semicondutores de banda ampla, os anchos de banda prohibida 6H-SiC e 4H-SiC son de 3,0 eV e 3,2 eV respectivamente, o que é 3 veces o de Si e 2 veces o de GaAs. Os dispositivos semicondutores feitos de SiC teñen menor corrente de fuga e maior campo eléctrico de avaría, polo que o SiC considérase un material ideal para dispositivos de alta potencia. A mobilidade de electróns saturados do SiC tamén é 2 veces maior que a do Si, e tamén ten vantaxes obvias na preparación de dispositivos de alta frecuencia. Pódense obter cristais de SiC de tipo P ou cristais de SiC de tipo N dopando os átomos de impurezas dos cristais. Na actualidade, os cristais de SiC de tipo P están principalmente dopados por Al, B, Be, O, Ga, Sc e outros átomos, e os cristais de sic de tipo N están principalmente dopados por átomos de N. A diferenza de concentración e tipo de dopaxe terá un gran impacto nas propiedades físicas e químicas do SiC. Ao mesmo tempo, o portador libre pode ser cravado pola dopaxe de nivel profundo como V, pódese aumentar a resistividade e pódese obter o cristal de SiC semiillante.

(5) Propiedades ópticas: debido á brecha de banda relativamente ampla, o cristal de SiC non dopado é incoloro e transparente. Os cristais de SiC dopados mostran cores diferentes debido ás súas diferentes propiedades, por exemplo, o 6H-SiC é verde despois de dopar N; 4H-SiC é marrón. 15R-SiC é amarelo. Dopado con Al, o 4H-SiC aparece azul. É un método intuitivo para distinguir o tipo de cristal SiC observando a diferenza de cor. Coa investigación continua en campos relacionados con SiC nos últimos 20 anos, fixéronse grandes avances en tecnoloxías relacionadas.

 

Oitavo,Introdución do estado de desenvolvemento do SiC

Na actualidade, a industria do SiC volveuse cada vez máis perfecta, desde obleas de substrato, obleas epitaxiais ata a produción de dispositivos, envases, toda a cadea industrial madurou e pode fornecer ao mercado produtos relacionados con SiC.

Cree é líder na industria de crecemento de cristais de SiC cunha posición de liderado tanto en tamaño como en calidade das obleas de substrato de SiC. Cree produce actualmente 300.000 chips de substrato SiC ao ano, o que supón máis do 80% dos envíos mundiais.

En setembro de 2019, Cree anunciou que construirá unha nova instalación no estado de Nova York, EUA, que utilizará a tecnoloxía máis avanzada para cultivar obleas de substrato de SiC de 200 mm de diámetro e potencia de RF, o que indica que a súa tecnoloxía de preparación de material de substrato de SiC de 200 mm ten facerse máis maduro.

Actualmente, os produtos principais de chips de substrato SiC no mercado son principalmente tipos condutores e semi-illados 4H-SiC e 6H-SiC de 2-6 polgadas.
En outubro de 2015, Cree foi o primeiro en lanzar obleas de substrato de SiC de 200 mm para o tipo N e LED, marcando o inicio das obleas de substrato de SiC de 8 polgadas ao mercado.
En 2016, Romm comezou a patrocinar o equipo Venturi e foi o primeiro en utilizar a combinación IGBT + SiC SBD no coche para substituír a solución IGBT + Si FRD no inversor tradicional de 200 kW. Despois da mellora, o peso do inversor redúcese en 2 kg e o tamaño redúcese nun 19% mantendo a mesma potencia.

En 2017, tras a adopción de SiC MOS + SiC SBD, non só se reduce o peso en 6 kg, o tamaño redúcese nun 43% e a potencia do inversor tamén se incrementa de 200 kW a 220 kW.
Despois de que Tesla adoptase os dispositivos baseados en SIC nos inversores principais dos seus produtos Model 3 en 2018, o efecto de demostración amplificouse rapidamente, convertendo o mercado automotriz xEV pronto nunha fonte de entusiasmo para o mercado SiC. Coa aplicación exitosa de SiC, o seu valor de produción de mercado tamén aumentou rapidamente.

Noveno,Conclusión:

Coa mellora continua das tecnoloxías da industria relacionadas co SiC, o seu rendemento e fiabilidade melloraranse aínda máis, o prezo dos dispositivos SiC tamén se reducirá e a competitividade do mercado de SiC será máis evidente. No futuro, os dispositivos SiC serán máis amplamente utilizados en varios campos como automóbiles, comunicacións, redes eléctricas e transporte, e o mercado de produtos será máis amplo e o tamaño do mercado ampliarase aínda máis, converténdose nun importante apoio para o mercado nacional. economía.