Новини - Структура та технологія вирощування карбіду кремнію (Ⅱ)

по-четверте, Фізичний метод пароперенесення

Метод фізичного переносу пари (PVT) походить від технології сублімації в паровій фазі, винайденої Lely у 1955 році. Порошок SiC поміщають у графітову трубку та нагрівають до високої температури для розкладання та сублімації порошку SiC, а потім графітову трубку охолоджують. Після розкладання порошку SiC компоненти парової фази осідають і кристалізуються в кристали SiC навколо графітової трубки. Хоча цим методом важко отримати монокристали SiC великого розміру, а процес осадження в графітовій трубці важко контролювати, він дає ідеї для наступних дослідників.
Юм Тераїров та ін. в Росії на цій основі ввели концепцію затравкових кристалів і вирішили проблему неконтрольованої форми кристалів і положення зародження кристалів SiC. Подальші дослідники продовжували вдосконалювати й, зрештою, розробили метод фізичного переносу газової фази (PVT), який використовується сьогодні в промисловості.

Будучи найранішим методом вирощування кристалів SiC, метод фізичного пароперенесення є найпоширенішим методом вирощування кристалів SiC. У порівнянні з іншими методами, метод має низькі вимоги до обладнання для вирощування, простий процес вирощування, сильну керованість, ретельний розвиток і дослідження, а також реалізоване промислове застосування. Структура кристала, вирощеного сучасним методом PVT, показана на малюнку.

Осьове і радіальне температурні поля можна контролювати, контролюючи умови зовнішньої теплоізоляції графітового тигля. Порошок SiC поміщають на дно графітового тигля з вищою температурою, а затравковий кристал SiC фіксують у верхній частині графітового тигля з нижчою температурою. Відстань між порошком і затравкою зазвичай контролюється десятками міліметрів, щоб уникнути контакту між зростаючим монокристалом і порошком. Градієнт температури зазвичай знаходиться в діапазоні 15-35 ℃/см. Для збільшення конвекції в печі зберігається інертний газ 50-5000 Па. Таким чином, після того, як порошок SiC нагріється до 2000-2500 ℃ за допомогою індукційного нагрівання, порошок SiC сублімується та розкладається на Si, Si2C, SiC2 та інші пароподібні компоненти, і транспортується до затравки за допомогою конвекції газу, і Кристал SiC кристалізується на затравковому кристалі для досягнення монокристалічного росту. Його типова швидкість росту становить 0,1-2 мм/год.

Процес PVT зосереджений на контролі температури росту, температурного градієнта, поверхні росту, відстані між поверхнею матеріалу та тиску росту, його перевага полягає в тому, що його процес відносно зрілий, сировину легко виробляти, вартість низька, але процес росту Метод PVT важко спостерігати, швидкість росту кристалів 0,2-0,4 мм/год, важко виростити кристали великої товщини (>50 мм). Після десятиліть безперервних зусиль поточний ринок пластин із підкладкою SiC, вирощених методом PVT, був дуже величезним, і річний обсяг виробництва пластин із підкладкою SiC може сягати сотень тисяч пластин, а її розмір поступово змінюється з 4 дюймів до 6 дюймів. , і розробив 8-дюймові зразки підкладки SiC.

п'яте,Метод високотемпературного хімічного осадження з газової фази

Високотемпературне хімічне осадження з парової фази (HTCVD) — це вдосконалений метод, заснований на хімічному осадженні з парової фази (CVD). Метод був вперше запропонований у 1995 році Kordina та ін., Університет Лінчепінгу, Швеція.
Схема структури росту наведена на малюнку:

п'яте,Метод високотемпературного хімічного осадження з газової фази

Коли кристал SiC вирощується рідкофазним методом, розподіл температури та конвекції всередині допоміжного розчину показано на малюнку:

Видно, що температура біля стінки тигля у допоміжному розчині вища, а температура біля затравки нижча. Під час процесу росту графітовий тигель забезпечує джерело C для росту кристалів. Оскільки температура на стінці тигля висока, розчинність С велика, а швидкість розчинення висока, велика кількість С буде розчинена на стінці тигля з утворенням насиченого розчину С. Ці розчини з великою кількістю розчинений С буде транспортуватися до нижньої частини затравкових кристалів шляхом конвекції в допоміжному розчині. Через низьку температуру кінця затравкового кристала розчинність відповідного C відповідно зменшується, і вихідний розчин, насичений C, стає перенасиченим розчином C після перенесення до кінця з низькою температурою за цих умов. Наднасичений C у розчині в поєднанні з Si у допоміжному розчині може виростити кристал SiC епітаксіально на затравковому кристалі. Коли суперфорована частина C випадає в осад, розчин повертається до високотемпературного кінця стінки тигля з конвекцією та знову розчиняє C, утворюючи насичений розчин.

Весь процес повторюється, і кристал SiC росте. У процесі росту рідкої фази розчинення та осадження С у розчині є дуже важливим показником прогресу росту. Щоб забезпечити стабільний ріст кристалів, необхідно підтримувати баланс між розчиненням С на стінці тигля та осадженням на кінці затравки. Якщо розчинення C більше, ніж випадання C, тоді C у кристалі поступово збагачується, і відбудеться спонтанне зародження SiC. Якщо розчинення C менше, ніж випадання C, зростання кристалів буде важко здійснити через відсутність розчиненої речовини.
У той же час транспортування С шляхом конвекції також впливає на надходження С під час росту. Щоб виростити кристали SiC з достатньою якістю кристалів і достатньою товщиною, необхідно забезпечити баланс трьох вищевказаних елементів, що значно ускладнює вирощування рідкої фази SiC. Однак із поступовим удосконаленням і вдосконаленням пов’язаних теорій і технологій переваги рідкофазного росту кристалів SiC поступово проявляться.
Зараз рідкофазне вирощування 2-дюймових кристалів SiC може бути досягнуто в Японії, а також розробляється рідка фаза вирощування 4-дюймових кристалів. На даний час відповідні вітчизняні дослідження не дали хороших результатів, і необхідно продовжити відповідну дослідницьку роботу.

сьоме, Фізичні та хімічні властивості кристалів SiC

(1) Механічні властивості: кристали SiC мають надзвичайно високу твердість і хорошу зносостійкість. Його твердість за Моосом становить від 9,2 до 9,3, а його твердість за Крітом становить від 2900 до 3100 кг/мм2, що поступається лише кристалам алмазу серед знайдених матеріалів. Завдяки чудовим механічним властивостям SiC, порошковий SiC часто використовується в різальній або шліфувальній промисловості, з річною потребою до мільйонів тонн. Зносостійке покриття на деяких деталях також буде використовувати покриття SiC, наприклад, зносостійке покриття на деяких військових кораблях складається з покриття SiC.

(2) Теплопровідність: теплопровідність SiC може досягати 3-5 Вт/см·К, що в 3 рази більше, ніж у традиційного напівпровідника Si, і в 8 разів більше, ніж у GaAs. Виробництво тепла пристрою, виготовленого SiC, може бути швидко відведено, тому вимоги до умов розсіювання тепла пристрою SiC є відносно вільними, і він більше підходить для підготовки пристроїв високої потужності. SiC має стабільні термодинамічні властивості. За умов нормального тиску SiC буде безпосередньо розкладатися на пару, що містить Si та C при вищому рівні.

(3) Хімічні властивості: SiC має стабільні хімічні властивості, хорошу стійкість до корозії та не реагує з жодною відомою кислотою при кімнатній температурі. SiC, розміщений на повітрі протягом тривалого часу, повільно утворює тонкий шар щільного SiO2, запобігаючи подальшим реакціям окислення. Коли температура підвищується до понад 1700 ℃, тонкий шар SiO2 плавиться і швидко окислюється. SiC може проходити повільну реакцію окислення з розплавленими окислювачами або основами, і пластини SiC зазвичай піддаються корозії в розплавленому KOH і Na2O2, щоб охарактеризувати дислокацію в кристалах SiC..

(4) Електричні властивості: SiC як типовий матеріал широкозонних напівпровідників, ширина забороненої зони 6H-SiC і 4H-SiC становить 3,0 еВ і 3,2 еВ відповідно, що в 3 рази більше, ніж у Si, і в 2 рази більше, ніж у GaAs. Напівпровідникові прилади з SiC мають менший струм витоку і більше електричне поле пробою, тому SiC вважається ідеальним матеріалом для потужних пристроїв. Рухливість насичених електронів SiC також в 2 рази вище, ніж у Si, і він також має очевидні переваги при виготовленні високочастотних пристроїв. Кристали SiC P-типу або кристали SiC N-типу можна отримати шляхом легування атомів домішок у кристалах. В даний час кристали SiC P-типу в основному леговані атомами Al, B, Be, O, Ga, Sc та іншими атомами, а кристали sic N-типу в основному леговані атомами N. Різниця в концентрації та типі легування матиме великий вплив на фізичні та хімічні властивості SiC. У той же час вільний носій може бути прибитий легуванням глибокого рівня, таким як V, питомий опір може бути збільшений, і можна отримати напівізолюючий кристал SiC.

(5) Оптичні властивості: через відносно широку заборонену зону нелегований кристал SiC безбарвний і прозорий. Леговані кристали SiC мають різні кольори через свої різні властивості, наприклад, 6H-SiC стає зеленим після легування N; 4H-SiC коричневий. 15R-SiC жовтий. Допований Al, 4H-SiC виглядає синім. Це інтуїтивно зрозумілий спосіб розрізнити тип кристала SiC шляхом спостереження за різницею кольорів. Завдяки безперервним дослідженням у галузях, пов’язаних з SiC, протягом останніх 20 років, були зроблені великі прориви в суміжних технологіях.

по-восьме,Введення статусу розробки SiC

В даний час промисловість SiC стає все більш досконалою, від пластин підкладки, епітаксійних пластин до виробництва пристроїв, упаковки, весь промисловий ланцюжок дозрів, і він може постачати на ринок продукти, пов’язані з SiC.

Cree є лідером у галузі вирощування кристалів SiC, займаючи лідируючі позиції як за розміром, так і за якістю підкладок з SiC. В даний час Cree виробляє 300 000 чіпів підкладки SiC на рік, що становить понад 80% світових поставок.

У вересні 2019 року компанія Cree оголосила, що побудує новий завод у штаті Нью-Йорк, США, який використовуватиме найсучаснішу технологію для вирощування потужних та радіочастотних підкладок SiC діаметром 200 мм. стати більш зрілим.

В даний час основними продуктами з підкладки SiC на ринку є в основному електропровідні та напівізольовані типи 4H-SiC і 6H-SiC розміром 2-6 дюймів.
У жовтні 2015 року компанія Cree першою випустила 200-міліметрові пластини з підкладкою SiC для N-типу та світлодіодів, поклавши початок виходу на ринок 8-дюймових пластин з підкладкою SiC.
У 2016 році Romm почав спонсорувати команду Venturi і був першим, хто використав комбінацію IGBT + SiC SBD в автомобілі, щоб замінити рішення IGBT + Si FRD у традиційному інверторі потужністю 200 кВт. Після вдосконалення вага інвертора зменшується на 2 кг, а розміри зменшуються на 19% при збереженні тієї ж потужності.

У 2017 році, після подальшого впровадження SiC MOS + SiC SBD, не тільки вага зменшена на 6 кг, розмір зменшено на 43%, а потужність інвертора також збільшена з 200 кВт до 220 кВт.
Після того, як у 2018 році Tesla застосувала пристрої на базі SIC у головних приводних інверторах своєї продукції Model 3, демонстраційний ефект швидко посилився, що незабаром зробило автомобільний ринок xEV джерелом ажіотажу для ринку SiC. З успішним застосуванням SiC його пов’язана ринкова вартість також швидко зросла.

дев'яте,Висновок:

З безперервним удосконаленням галузевих технологій, пов’язаних з SiC, його продуктивність і надійність будуть ще більше покращуватися, ціна пристроїв з SiC також буде знижена, а ринкова конкурентоспроможність SiC стане більш очевидною. У майбутньому пристрої з SiC будуть ширше використовуватися в різних галузях, таких як автомобілі, комунікації, електромережі та транспорт, а ринок продукції стане ширшим, а розмір ринку ще більше розшириться, ставши важливою підтримкою для національного економіка.

Час публікації: 25 січня 2024 р

Структура та технологія росту карбіду кремнію (Ⅱ)