Новини - Структура та технологія вирощування карбіду кремнію (Ⅱ)

По-четверте, метод фізичного пароперенесення

Theфізичний транспорт пари (PVT)Метод походить від технології сублімації в паровій фазі, яку винайшов 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 цей метод ускладнює отримання монокристалів 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.

Як найперший метод 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 основним 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 при нижчій температурі. 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 методу 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 їх розмір поступово змінюється з 4 дюймів до 6. дюймів і розробив 8 дюймів зразків підкладки SiC.

По-п'яте, метод високотемпературного хімічного осадження з парової 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:

При вирощуванні кристала SiC 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 початковий насичений C розчин стає перенасиченим розчином C після перенесення до низькотемпературного кінця за цієї умови. Перенасичений C у розчині в поєднанні з Si у допоміжному розчині може виростити кристал SiC епітаксіально на затравковому кристалі. Коли перфорована 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 осадження 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.

По-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. Для зносостійкого покриття на деяких заготовках також буде використовуватися покриття SiC, наприклад, зносостійке покриття на деяких військових кораблях складається з покриття SiC.

(2) Теплопровідність: теплопровідність SiC може досягати 3-5 Вт/см·K, 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, 6H-SiC і 4H-SiC мають ширину забороненої зони відповідно 3,0 еВ і 3,2 еВ, що в 3 рази більше, ніж у Si, і в 2 рази більше, ніж у GaAs. Напівпровідникові прилади, виготовлені з SiC, мають менші струми витоку та більші пробивні електричні поля, 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, 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, можна збільшити питомий опір і 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 в кольорі. Завдяки безперервним дослідженням галузей, пов’язаних із 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, починаючи від підкладкових пластин,іепітаксійнийвафлідо виробництва пристроїв і упаковки, весь промисловий ланцюг дозрів, і він може постачати продукти, пов’язані з SiC, на ринок.

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 зменшилася на 6 кг, але й розмір зменшився на 43%, а потужність інвертора також зросла 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. Завдяки успішному застосуванню SiC його 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.