Вести - Структура и технологија на раст на силициум карбид (Ⅱ)

Четврто, методот на физички пренос на пареа

Нафизички транспорт на пареа (PVT)методот потекнува од технологијата за сублимација на пареа фаза, измислена од Лели во 1955 година. Прашокот SiC се става во графитна цевка и се загрева на висока температура за да се разложи и сублимира SiC прашокот, а потоа графитната цевка се лади. По распаѓањето на прашокот SiC, компонентите на фазата на пареа се депонираат и кристализираат во SiC кристали околу графитната цевка. Иако овој метод го отежнува добивањето на SiC единечни кристали со големи димензии, а процесот на таложење во графитната цевка е тежок за контролирање, тој дава идеи за следните истражувачи.
Им Тераиров и сор. во Русија го воведе концептот на семе кристали на оваа основа и го реши проблемот со неконтролираната кристална форма и позицијата на нуклеација на SiC кристалите. Следните истражувачи продолжија да го подобруваат и на крајот го развија методот за транспорт на физичка гасна фаза (PVT) во индустриска употреба денес.

Како најрана метода на раст на SiC кристалите, методот на пренос на физичка пареа е најстариот мејнстрим метод за раст за раст на кристалите на SiC. Во споредба со другите методи, методот има ниски барања за опрема за раст, едноставен процес на раст, силна контрола, темелен развој и истражување и има реализирано индустриска примена. Структурата на кристалот расте со тековниот мејнстрим PVT метод е прикажана на сликата.

Аксијалните и радијалните температурни полиња може да се контролираат со контролирање на условите за надворешна топлинска изолација на графитниот сад. Прашокот SiC се става на дното на графитниот сад со повисока температура, а семето на SiC кристалот се фиксира на врвот на графитниот сад на пониска температура. Растојанието помеѓу прашокот и семето генерално се контролира да биде десетици милиметри за да се избегне контакт помеѓу растечкиот монокристал и прашокот. Температурниот градиент обично е во опсег од 15-35℃/cm. Инертен гас од 50-5000 Pa се чува во печката за да се зголеми конвекцијата. На овој начин, откако SiC прав ќе се загрее до 2000-2500℃ со индукциско загревање, SiC прав ќе се сублимира и ќе се распадне на Si, Si2C, SiC2 и други компоненти на пареа и ќе се транспортира до крајот на семето со конвекција на гас, а SiC кристалот се кристализира на семениот кристал за да се постигне раст на еден кристал. Неговата типична стапка на раст е 0,1-2 mm/h.

ПВТ процесот се фокусира на контролата на температурата на растот, температурниот градиент, површината на раст, просторот на површината на материјалот и притисокот на раст, неговата предност е што неговиот процес е релативно зрел, суровините се лесни за производство, цената е ниска, но процесот на раст на PVT методот е тешко да се набљудува, стапката на раст на кристалите од 0,2-0,4mm/h, тешко е да се одгледуваат кристали со голема дебелина (>50mm). По децении континуирани напори, сегашниот пазар за наполитанки со подлога SiC одгледувани со методот PVT е многу огромен, а годишното производство на наполитанки со подлога SiC може да достигне стотици илјади обланди, а неговата големина постепено се менува од 4 инчи на 6 инчи, и има развиено 8 инчи примероци од подлогата на SiC.

Петто, метод на хемиско таложење на пареа на висока температура

Хемиско таложење на пареа со висока температура (HTCVD) е подобрен метод базиран на Хемиско таложење на пареа (CVD). Методот за прв пат беше предложен во 1995 година од Кордина и сор., Универзитетот Линкопинг, Шведска.
Дијаграмот на структурата на раст е прикажан на сликата:

Кога SiC кристалот се одгледува со методот на течна фаза, температурата и дистрибуцијата на конвекцијата во помошниот раствор се прикажани на сликата:

Се гледа дека температурата во близина на ѕидот на садот во помошниот раствор е повисока, додека температурата на семениот кристал е помала. За време на процесот на растење, графитниот сад обезбедува извор C за раст на кристалите. Бидејќи температурата на ѕидот на садот е висока, растворливоста на C е голема и брзината на растворање е брза, голема количина на C ќе се раствори на ѕидот на садот за да се формира заситен раствор од C. Овие раствори со голема количина растворениот C ќе се транспортира до долниот дел од семените кристали со конвекција во помошниот раствор. Поради ниската температура на завршетокот на семениот кристал, растворливоста на соодветниот С соодветно се намалува, а оригиналниот раствор заситен со С станува презаситен раствор на С откако ќе се префрли на нискотемпературниот крај под оваа состојба. Презаситен C во раствор во комбинација со Si во помошниот раствор може да расте SiC кристал епитаксијално на семениот кристал. Кога перфорираниот дел од C се таложи, растворот се враќа на високотемпературниот крај на ѕидот на садот со конвекција и повторно го раствора C за да формира заситен раствор.

Целиот процес се повторува, а SiC кристалот расте. Во процесот на раст на течната фаза, растворањето и таложењето на С во раствор е многу важен индекс на напредокот на растот. За да се обезбеди стабилен раст на кристалите, неопходно е да се одржи рамнотежа помеѓу растворањето на C на ѕидот на садот и врнежите на крајот на семето. Ако растворањето на C е поголемо од талогот на C, тогаш C во кристалот постепено се збогатува и ќе се појави спонтана нуклеација на SiC. Ако растворањето на C е помало од талогот на C, растењето на кристалите ќе биде тешко да се изврши поради недостаток на растворена супстанција.
Во исто време, транспортот на C со конвекција, исто така, влијае на понудата на C за време на растот. За да се одгледуваат SiC кристали со доволно добар квалитет на кристалот и доволна дебелина, неопходно е да се обезбеди рамнотежа на горенаведените три елементи, што во голема мера ја зголемува тежината на растот на течната фаза на SiC. Сепак, со постепеното подобрување и подобрување на поврзаните теории и технологии, постепено ќе се покажат предностите на растот на течната фаза на SiC кристалите.
Во моментов, растот на течната фаза на 2-инчните SiC кристали може да се постигне во Јапонија, а исто така се развива растот на течната фаза на кристалите од 4 инчи. Во моментов, релевантните домашни истражувања не забележаа добри резултати и неопходно е да се следи релевантната истражувачка работа.

Седмо, Физички и хемиски својства на кристалите на SiC

(1) Механички својства: SiC кристалите имаат исклучително висока цврстина и добра отпорност на абење. Неговата цврстина Мохс е помеѓу 9,2 и 9,3, а цврстината Крит е помеѓу 2900 и 3100 кг/мм2, што е само второ по дијамантските кристали меѓу откриените материјали. Поради одличните механички својства на SiC, прашокот SiC често се користи во индустријата за сечење или мелење, со годишна побарувачка до милиони тони. Облогата отпорна на абење на некои работни парчиња исто така ќе користи SiC слој, на пример, облогата отпорна на абење на некои воени бродови е составена од слој SiC.

(2) Термички својства: Топлинската спроводливост на SiC може да достигне 3-5 W/cm·K, што е 3 пати поголема од онаа на традиционалниот полупроводник Si и 8 пати поголема од онаа на GaAs. Производството на топлина на уредот подготвен од SiC може брзо да се спроведе, така што барањата за условите за дисипација на топлина на уредот SiC се релативно лабави и тој е посоодветен за подготовка на уреди со голема моќност. SiC има стабилни термодинамички својства. Во нормални услови на притисок, SiC директно ќе се распадне во пареа што содржи Si и C на повисоко ниво.

(3) Хемиски својства: SiC има стабилни хемиски својства, добра отпорност на корозија и не реагира со ниту една позната киселина на собна температура. SiC поставен во воздухот долго време полека ќе формира тенок слој од густо SiO2, спречувајќи понатамошни реакции на оксидација. Кога температурата се искачува на повеќе од 1700℃, тенкиот слој SiO2 се топи и брзо оксидира. SiC може да претрпи бавна реакција на оксидација со стопени оксиданти или бази, а SiC обландите обично се кородираат во стопениот KOH и Na2O2 за да се карактеризира дислокацијата во кристалите на SiC.

(4) Електрични својства: SiC како репрезентативен материјал на полупроводници со широк опсег, ширината на 6H-SiC и 4H-SiC е 3,0 eV и 3,2 eV соодветно, што е 3 пати поголема од Si и 2 пати поголема од GaAs. Полупроводничките уреди направени од SiC имаат помали струи на истекување и поголеми електрични полиња на распаѓање, така што SiC се смета за идеален материјал за уреди со висока моќност. Подвижноста на заситените електрони на SiC е исто така 2 пати поголема од онаа на Si, а исто така има очигледни предности во подготовката на уреди со висока фреквенција. P-тип SiC кристали или N-тип SiC кристали може да се добијат со допинг на атомите на нечистотијата во кристалите. Во моментов, кристалите од P-тип на SiC се главно допирани од Al, B, Be, O, Ga, Sc и други атоми, а кристалите од N-тип на SiC главно се допираат со N атоми. Разликата во концентрацијата и типот на допинг ќе има големо влијание врз физичките и хемиските својства на SiC. Во исто време, слободниот носач може да се закова со допинг на длабоко ниво, како што е V, отпорноста може да се зголеми и да се добие полуизолациониот SiC кристал.

(5) Оптички својства: Поради релативно широкиот јаз на појасот, недопрениот SiC кристал е безбоен и транспарентен. Допираните SiC кристали покажуваат различни бои поради нивните различни својства, на пример, 6H-SiC е зелен по допинг N; 4H-SiC е кафеава. 15R-SiC е жолт. Допинг со Al, 4H-SiC изгледа сино. Тоа е интуитивен метод за разликување на типот на кристал SiC со набљудување на разликата во бојата. Со континуираното истражување на полињата поврзани со SiC во изминатите 20 години, направени се големи откритија во поврзаните технологии.

Осмо, Воведување на статусот на развој на SiC

Во моментов, индустријата за SiC станува сè посовршена, од наполитанки со подлога,иепитаксијаленнаполитанкиза производство на уреди и пакување, целиот индустриски синџир созреал и може да снабдува производи поврзани со SiC на пазарот.

Cree е лидер во индустријата за раст на SiC кристали со водечка позиција и во големината и во квалитетот на наполитанките со подлога на SiC. Кри во моментов произведува 300.000 чипови од подлогата на SiC годишно, што претставува повеќе од 80% од глобалните испораки.

Во септември 2019 година, Кри објави дека ќе изгради нов објект во државата Њујорк, САД, кој ќе ја користи најнапредната технологија за одгледување моќност со дијаметар од 200 mm и RF SiC наполитанки од подлогата, што укажува дека нејзината технологија за подготовка на материјал за подлогата од 200 mm SiC има станат позрели.

Во моментов, главните производи на чиповите од подлогата SiC на пазарот се главно 4H-SiC и 6H-SiC проводни и полуизолирани типови од 2-6 инчи.
Во октомври 2015 година, Кри беше првиот што лансираше наполитанки со подлога од 200 mm SiC за N-тип и LED, означувајќи го почетокот на 8-инчните наполитанки на подлогата SiC на пазарот.
Во 2016 година, Romm започна да го спонзорира тимот на Venturi и беше првиот што ја искористи комбинацијата IGBT + SiC SBD во автомобилот за да го замени решението IGBT + Si FRD во традиционалниот инвертер од 200 kW. По подобрувањето, тежината на инвертерот се намалува за 2 кг, а големината се намалува за 19% со задржување на истата моќност.

Во 2017 година, по натамошното усвојување на SiC MOS + SiC SBD, не само што тежината е намалена за 6 kg, туку и големината е намалена за 43%, а моќноста на инвертерот исто така е зголемена од 200 kW на 220 kW.
Откако Tesla усвои уреди базирани на SIC во главните погонски инвертери на своите производи Model 3 во 2018 година, ефектот на демонстрација брзо се засили, правејќи го автомобилскиот пазар xEV наскоро извор на возбуда за пазарот SiC. Со успешната примена на SiC, неговата поврзана пазарна вредност на излезот исто така брзо се зголеми.

Деветто, Заклучок:

Со континуираното подобрување на технологиите во индустријата поврзани со SiC, неговиот принос и сигурност дополнително ќе се подобрат, цената на уредите SiC исто така ќе се намали, а конкурентноста на пазарот на SiC ќе биде поочигледна. Во иднина, уредите SiC ќе бидат пошироко користени во различни области како што се автомобилите, комуникациите, електричните мрежи и транспортот, а пазарот на производи ќе биде поширок, а големината на пазарот дополнително ќе се прошири, станувајќи важна поддршка за националниот економијата.

Време на објавување: 25 јануари 2024 година