Struktuur en groeitegnologie van silikonkarbied (Ⅱ)

Vierde, Fisiese dampoordragmetode

Fisiese dampvervoer-metode (PVT) het ontstaan ​​uit die dampfase-sublimasietegnologie wat in 1955 deur Lely uitgevind is. Die SiC-poeier word in 'n grafietbuis geplaas en tot hoë temperatuur verhit om die SiC-poeier te ontbind en te sublimeer, en dan word die grafietbuis afgekoel. Na die ontbinding van die SiC-poeier, word die dampfasekomponente neergesit en in SiC-kristalle om die grafietbuis gekristalliseer. Alhoewel hierdie metode moeilik is om groot grootte SiC enkelkristalle te verkry, en die afsettingsproses in die grafietbuis moeilik is om te beheer, verskaf dit idees vir daaropvolgende navorsers.
Ym Terairov et al. in Rusland het die konsep van saadkristalle op hierdie basis bekendgestel, en die probleem van onbeheerbare kristalvorm en kernvormingsposisie van SiC-kristalle opgelos. Daaropvolgende navorsers het voortgegaan om te verbeter en uiteindelik die fisiese gasfase vervoer (PVT) metode in industriële gebruik vandag ontwikkel.

As die vroegste SiC-kristalgroeimetode, is fisiese dampoordragmetode die mees hoofstroomgroeimetode vir SiC-kristalgroei. In vergelyking met ander metodes het die metode lae vereistes vir groeitoerusting, eenvoudige groeiproses, sterk beheerbaarheid, deeglike ontwikkeling en navorsing, en het industriële toepassing gerealiseer. Die struktuur van kristal wat deur die huidige hoofstroom PVT-metode gekweek word, word in die figuur getoon.

Die aksiale en radiale temperatuurvelde kan beheer word deur die eksterne termiese isolasie toestande van die grafiet smeltkroes te beheer. Die SiC-poeier word onderaan die grafietsmeltkroes geplaas met 'n hoër temperatuur, en die SiC-saadkristal word met 'n laer temperatuur aan die bokant van die grafietsmeltkroes vasgemaak. Die afstand tussen die poeier en die saad word oor die algemeen beheer om tientalle millimeters te wees om kontak tussen die groeiende enkelkristal en die poeier te vermy. Die temperatuurgradiënt is gewoonlik in die reeks van 15-35 ℃/cm. 'n Inerte gas van 50-5000 Pa word in die oond gehou om konveksie te verhoog. Op hierdie manier, nadat die SiC-poeier verhit is tot 2000-2500 ℃ deur induksieverhitting, sal die SiC-poeier sublimeer en ontbind in Si, Si2C, SiC2 en ander dampkomponente, en na die saadkant vervoer word met gaskonveksie, en die SiC-kristal word op die saadkristal gekristalliseer om enkelkristalgroei te verkry. Sy tipiese groeitempo is 0,1-2mm/h.

PVT-proses fokus op die beheer van groeitemperatuur, temperatuurgradiënt, groeioppervlak, materiaaloppervlakspasiëring en groeidruk, die voordeel daarvan is dat die proses relatief volwasse is, grondstowwe is maklik om te produseer, die koste is laag, maar die groeiproses van PVT-metode is moeilik om waar te neem, kristalgroeitempo van 0.2-0.4mm/h, dit is moeilik om kristalle met 'n groot dikte (>50mm) te laat groei. Na dekades van voortdurende pogings is die huidige mark vir SiC-substraatwafels wat volgens PVT-metode gekweek word, baie groot, en die jaarlikse produksie van SiC-substraatwafers kan honderde duisende wafers bereik, en die grootte daarvan verander geleidelik van 4 duim tot 6 duim , en het 8 duim SiC-substraatmonsters ontwikkel.

 

Vyfdens,Hoë temperatuur chemiese dampneerslag metode

 

Hoë temperatuur chemiese dampneerslag (HTCVD) is 'n verbeterde metode gebaseer op chemiese dampneerslag (CVD). Die metode is die eerste keer in 1995 voorgestel deur Korina et al., Linkoping Universiteit, Swede.
Die groeistruktuurdiagram word in die figuur getoon:

Die aksiale en radiale temperatuurvelde kan beheer word deur die eksterne termiese isolasie toestande van die grafiet smeltkroes te beheer. Die SiC-poeier word onderaan die grafietsmeltkroes geplaas met 'n hoër temperatuur, en die SiC-saadkristal word met 'n laer temperatuur aan die bokant van die grafietsmeltkroes vasgemaak. Die afstand tussen die poeier en die saad word oor die algemeen beheer om tientalle millimeters te wees om kontak tussen die groeiende enkelkristal en die poeier te vermy. Die temperatuurgradiënt is gewoonlik in die reeks van 15-35 ℃/cm. 'n Inerte gas van 50-5000 Pa word in die oond gehou om konveksie te verhoog. Op hierdie manier, nadat die SiC-poeier verhit is tot 2000-2500 ℃ deur induksieverhitting, sal die SiC-poeier sublimeer en ontbind in Si, Si2C, SiC2 en ander dampkomponente, en na die saadkant vervoer word met gaskonveksie, en die SiC-kristal word op die saadkristal gekristalliseer om enkelkristalgroei te verkry. Sy tipiese groeitempo is 0,1-2mm/h.

PVT-proses fokus op die beheer van groeitemperatuur, temperatuurgradiënt, groeioppervlak, materiaaloppervlakspasiëring en groeidruk, die voordeel daarvan is dat die proses relatief volwasse is, grondstowwe is maklik om te produseer, die koste is laag, maar die groeiproses van PVT-metode is moeilik om waar te neem, kristalgroeitempo van 0.2-0.4mm/h, dit is moeilik om kristalle met 'n groot dikte (>50mm) te laat groei. Na dekades van voortdurende pogings is die huidige mark vir SiC-substraatwafels wat volgens PVT-metode gekweek word, baie groot, en die jaarlikse produksie van SiC-substraatwafers kan honderde duisende wafers bereik, en die grootte daarvan verander geleidelik van 4 duim tot 6 duim , en het 8 duim SiC-substraatmonsters ontwikkel.

 

Vyfdens,Hoë temperatuur chemiese dampneerslag metode

 

Hoë temperatuur chemiese dampneerslag (HTCVD) is 'n verbeterde metode gebaseer op chemiese dampneerslag (CVD). Die metode is die eerste keer in 1995 voorgestel deur Korina et al., Linkoping Universiteit, Swede.
Die groeistruktuurdiagram word in die figuur getoon:

Wanneer die SiC-kristal met vloeibare fase-metode gekweek word, word die temperatuur en konveksieverspreiding binne die hulpoplossing in die figuur getoon:

Dit kan gesien word dat die temperatuur naby die smeltkroeswand in die hulpoplossing hoër is, terwyl die temperatuur by die saadkristal laer is. Tydens die groeiproses verskaf die grafiet-smeltkroes C-bron vir kristalgroei. Omdat die temperatuur by die smeltkroeswand hoog is, die oplosbaarheid van C groot is, en die oplostempo vinnig is, sal 'n groot hoeveelheid C by die smeltkroeswand opgelos word om 'n versadigde oplossing van C te vorm. Hierdie oplossings met 'n groot hoeveelheid van C opgelos sal na die onderste deel van die saadkristalle vervoer word deur konveksie binne die hulpoplossing. As gevolg van die lae temperatuur van die saadkristalkant, neem die oplosbaarheid van die ooreenstemmende C dienooreenkomstig af, en die oorspronklike C-versadigde oplossing word 'n oorversadigde oplossing van C nadat dit onder hierdie toestand na die laetemperatuurkant oorgedra is. Supraversadigde C in oplossing gekombineer met Si in hulpoplossing kan SiC kristal epitaksiaal op saadkristal groei. Wanneer die gesuperforeerde deel van C neerslaan, keer die oplossing terug na die hoëtemperatuurpunt van die smeltkroeswand met konveksie, en los C weer op om 'n versadigde oplossing te vorm.

Die hele proses herhaal, en die SiC-kristal groei. In die proses van vloeibare fase groei is die oplossing en neerslag van C in oplossing 'n baie belangrike indeks van groeivordering. Om stabiele kristalgroei te verseker, is dit nodig om 'n balans te handhaaf tussen die oplos van C by die smeltkroeswand en die neerslag aan die saadpunt. As die oplossing van C groter is as die neerslag van C, dan word die C in die kristal geleidelik verryk, en spontane kernvorming van SiC sal plaasvind. As die oplossing van C minder is as die neerslag van C, sal die kristalgroei moeilik wees om uit te voer as gevolg van die gebrek aan opgeloste stof.
Terselfdertyd beïnvloed die vervoer van C deur konveksie ook die voorsiening van C tydens groei. Om SiC-kristalle met 'n goeie genoeg kristalkwaliteit en voldoende dikte te laat groei, is dit nodig om die balans van die bogenoemde drie elemente te verseker, wat die moeilikheid van SiC-vloeistoffasegroei aansienlik verhoog. Met die geleidelike verbetering en verbetering van verwante teorieë en tegnologieë, sal die voordele van vloeibare fasegroei van SiC-kristalle egter geleidelik wys.
Tans kan die vloeibare fasegroei van 2-duim SiC-kristalle in Japan bereik word, en die vloeibare fasegroei van 4-duim-kristalle word ook ontwikkel. Tans het die relevante binnelandse navorsing nie goeie resultate behaal nie, en dit is nodig om die relevante navorsingswerk op te volg.

 

Sewende, Fisiese en chemiese eienskappe van SiC-kristalle

 

(1) Meganiese eienskappe: SiC-kristalle het uiters hoë hardheid en goeie slytasieweerstand. Sy Mohs-hardheid is tussen 9.2 en 9.3, en sy Krit-hardheid is tussen 2900 en 3100Kg/mm2, wat slegs tweede is na diamantkristalle onder materiale wat ontdek is. As gevolg van die uitstekende meganiese eienskappe van SiC, word poeier SiC dikwels in die sny- of maalbedryf gebruik, met 'n jaarlikse aanvraag van tot miljoene ton. Die slytvaste deklaag op sommige werkstukke sal ook SiC-bedekking gebruik, byvoorbeeld, die slytvaste deklaag op sommige oorlogskepe bestaan ​​uit SiC-bedekking.

(2) Termiese eienskappe: termiese geleidingsvermoë van SiC kan 3-5 W/cm·K bereik, wat 3 keer dié van tradisionele halfgeleier Si en 8 keer dié van GaAs is. Die hitteproduksie van die toestel wat deur SiC voorberei is, kan vinnig weggevoer word, dus is die vereistes van die hitte-afvoertoestande van die SiC-toestel relatief los, en dit is meer geskik vir die voorbereiding van hoëkragtoestelle. SiC het stabiele termodinamiese eienskappe. Onder normale druktoestande sal SiC direk ontbind word in damp wat Si en C by hoër bevat.

(3) Chemiese eienskappe: SiC het stabiele chemiese eienskappe, goeie korrosiebestandheid, en reageer nie met enige bekende suur by kamertemperatuur nie. SiC wat vir 'n lang tyd in die lug geplaas word, sal stadig 'n dun laag digte SiO2 vorm, wat verdere oksidasiereaksies voorkom. Wanneer die temperatuur tot meer as 1700 ℃ styg, smelt die SiO2 dun laag en oksideer vinnig. SiC kan 'n stadige oksidasiereaksie met gesmelte oksidante of basisse ondergaan, en SiC-wafels word gewoonlik in gesmelte KOH en Na2O2 gekorrodeer om die ontwrigting in SiC-kristalle te karakteriseer.

(4) Elektriese eienskappe: SiC as 'n verteenwoordigende materiaal van wye bandgaping halfgeleiers, 6H-SiC en 4H-SiC bandgaping wydtes is 3.0 eV en 3.2 eV onderskeidelik, wat 3 keer dié van Si en 2 keer dié van GaAs is. Halfgeleiertoestelle wat van SiC gemaak is, het kleiner lekstroom en 'n groter elektriese deurbraakveld, so SiC word beskou as 'n ideale materiaal vir hoëkragtoestelle. Die versadigde elektronmobiliteit van SiC is ook 2 keer hoër as dié van Si, en dit het ook ooglopende voordele in die voorbereiding van hoëfrekwensie toestelle. P-tipe SiC-kristalle of N-tipe SiC-kristalle kan verkry word deur die onsuiwerheidsatome in die kristalle te doteer. Tans word P-tipe SiC-kristalle hoofsaaklik gedoteer deur Al, B, Be, O, Ga, Sc en ander atome, en N-tipe sic-kristalle word hoofsaaklik deur N-atome gedoteer. Die verskil in dopingkonsentrasie en tipe sal 'n groot impak hê op die fisiese en chemiese eienskappe van SiC. Terselfdertyd kan die vrye draer vasgespyker word deur die diepvlakdotering soos V, die weerstand kan verhoog word, en die semi-isolerende SiC-kristal kan verkry word.

(5) Optiese eienskappe: As gevolg van die relatief wye bandgaping, is die ongedoteerde SiC-kristal kleurloos en deursigtig. Die gedoteerde SiC-kristalle toon verskillende kleure as gevolg van hul verskillende eienskappe, byvoorbeeld, 6H-SiC is groen na doping van N; 4H-SiC is bruin. 15R-SiC is geel. Gedoteer met Al, lyk 4H-SiC blou. Dit is 'n intuïtiewe metode om SiC-kristaltipe te onderskei deur die verskil van kleur waar te neem. Met die voortdurende navorsing oor SiC-verwante velde in die afgelope 20 jaar, is groot deurbrake in verwante tegnologieë gemaak.

 

Agtste,Bekendstelling van SiC-ontwikkelingstatus

Tans het die SiC-industrie al hoe meer perfek geword, van substraatwafels, epitaksiale wafels tot toestelproduksie, verpakking, die hele industriële ketting het volwasse geword, en dit kan SiC-verwante produkte aan die mark verskaf.

Cree is 'n leier in die SiC kristal groei industrie met 'n leidende posisie in beide grootte en kwaliteit van SiC substraat wafers. Cree produseer tans 300 000 SiC-substraatskyfies per jaar, wat verantwoordelik is vir meer as 80% van wêreldwye verskepings.

In September 2019 het Cree aangekondig dat hy 'n nuwe fasiliteit in die staat New York, VSA sal bou, wat die mees gevorderde tegnologie sal gebruik om krag- en RF SiC-substraatwafels van 200 mm te laat groei, wat aandui dat sy 200 mm SiC-substraatmateriaalvoorbereidingstegnologie het meer volwasse word.

Tans is die hoofstroomprodukte van SiC-substraatskyfies op die mark hoofsaaklik 4H-SiC en 6H-SiC geleidende en semi-geïsoleerde tipes van 2-6 duim.
In Oktober 2015 was Cree die eerste wat 200 mm SiC-substraatwafers vir N-tipe en LED bekend gestel het, wat die begin van die 8-duim SiC-substraatwafers op die mark gemerk het.
In 2016 het Romm die Venturi-span begin borg en was die eerste wat die IGBT + SiC SBD-kombinasie in die motor gebruik het om die IGBT + Si FRD-oplossing in die tradisionele 200 kW-omskakelaar te vervang. Na die verbetering word die gewig van die omskakelaar met 2 kg verminder en die grootte word met 19% verminder terwyl dieselfde krag behou word.

In 2017, na die verdere aanvaarding van SiC MOS + SiC SBD, word nie net die gewig met 6 kg verminder nie, die grootte word met 43% verminder, en die omskakelaarkrag word ook van 200 kW tot 220 kW verhoog.
Nadat Tesla SIC-gebaseerde toestelle in die hoofaandrywingomsetters van sy Model 3-produkte in 2018 aangeneem het, is die demonstrasie-effek vinnig versterk, wat die xEV-motormark binnekort 'n bron van opwinding vir die SiC-mark maak. Met die suksesvolle toepassing van SiC het sy verwante markuitsetwaarde ook vinnig gestyg.

Negende,Gevolgtrekking:

Met die voortdurende verbetering van SiC-verwante industrietegnologieë, sal die opbrengs en betroubaarheid daarvan verder verbeter word, die prys van SiC-toestelle sal ook verlaag word, en die markmededingendheid van SiC sal duideliker wees. In die toekoms sal SiC-toestelle meer wyd gebruik word in verskeie velde soos motors, kommunikasie, kragnetwerke en vervoer, en die produkmark sal wyer wees, en die markgrootte sal verder uitgebrei word, wat 'n belangrike ondersteuning vir die nasionale ekonomie.