Silicio karbido struktūra ir augimo technologija (Ⅱ)

ketvirta, Fizinis garų perdavimo būdas

Fizinis garų transportavimo (PVT) metodas atsirado dėl garų fazės sublimacijos technologijos, kurią išrado Lely 1955 m. SiC milteliai dedami į grafito vamzdelį ir kaitinami iki aukštos temperatūros, kad suirtų ir sublimuotų SiC miltelius, o po to grafito vamzdis atšaldomas. Suskaidžius SiC miltelius, garų fazės komponentai nusodinami ir kristalizuojami į SiC kristalus aplink grafito vamzdelį. Nors šiuo metodu sunku gauti didelio dydžio SiC pavienius kristalus, o nusodinimo procesą grafito vamzdyje sunku kontroliuoti, jis suteikia idėjų tolesniems tyrinėtojams.
Ym Terairov ir kt. Rusijoje šiuo pagrindu įdiegta sėklinių kristalų koncepcija ir išspręsta nekontroliuojamos kristalų formos ir SiC kristalų branduolio padėties problema. Vėlesni tyrėjai toliau tobulino ir galiausiai sukūrė fizinės dujų fazės transportavimo (PVT) metodą pramoniniam naudojimui šiandien.

Kaip ankstyviausias SiC kristalų augimo metodas, fizinis garų perdavimo metodas yra labiausiai paplitęs SiC kristalų augimo metodas. Palyginti su kitais metodais, šis metodas turi mažus reikalavimus auginimo įrangai, paprastas auginimo procesas, stiprus valdymas, kruopštus kūrimas ir tyrimai, ir buvo pritaikytas pramonėje. Dabartiniu pagrindiniu PVT metodu išaugintų kristalų struktūra parodyta paveikslėlyje.

Ašinį ir radialinį temperatūros laukus galima valdyti kontroliuojant išorines grafito tiglio šilumos izoliacijos sąlygas. SiC milteliai dedami į aukštesnės temperatūros grafito tiglio dugną, o žemesnės temperatūros SiC sėklinis kristalas fiksuojamas grafito tiglio viršuje. Atstumas tarp miltelių ir sėklos paprastai kontroliuojamas iki dešimčių milimetrų, kad būtų išvengta augančio vieno kristalo ir miltelių kontakto. Temperatūros gradientas paprastai yra 15-35 ℃/cm diapazone. Konvekcijai padidinti krosnyje laikomos 50-5000 Pa inertinės dujos. Tokiu būdu SiC miltelius įkaitinus iki 2000–2500 ℃ indukciniu kaitinimu, SiC milteliai sublimuos ir suskaidys į Si, Si2C, SiC2 ir kitus garų komponentus ir bus transportuojami į sėklų galą su dujų konvekcija, o SiC kristalas kristalizuojamas ant sėklinio kristalo, kad būtų pasiektas vieno kristalo augimas. Jo tipinis augimo greitis yra 0,1-2 mm/val.

PVT procesas orientuotas į augimo temperatūros, temperatūros gradiento, augimo paviršiaus, medžiagos paviršiaus atstumo ir augimo slėgio valdymą, jo pranašumas yra tas, kad jo procesas yra gana subrendęs, žaliavas lengva gaminti, kaina yra maža, tačiau augimo procesas PVT metodą sunku stebėti, kristalų augimo greitis 0,2-0,4 mm/h, sunku išauginti didelio storio (>50 mm) kristalus. Po dešimtmečius trukusių nuolatinių pastangų dabartinė PVT metodu auginamų SiC substrato plokštelių rinka buvo labai didžiulė, o metinė SiC substrato plokštelių produkcija gali siekti šimtus tūkstančių plokštelių, o jos dydis palaipsniui keičiasi nuo 4 colių iki 6 colių. , ir sukūrė 8 colių SiC substrato pavyzdžius.

 

Penkta,Aukštos temperatūros cheminio nusodinimo garais metodas

 

Aukštos temperatūros cheminis nusodinimas garais (HTCVD) yra patobulintas metodas, pagrįstas cheminiu nusodinimu iš garų (CVD). Pirmą kartą šį metodą 1995 m. pasiūlė Kordina ir kt., Linkopingo universitetas, Švedija.
Augimo struktūros diagrama parodyta paveikslėlyje:

Ašinį ir radialinį temperatūros laukus galima valdyti kontroliuojant išorines grafito tiglio šilumos izoliacijos sąlygas. SiC milteliai dedami į aukštesnės temperatūros grafito tiglio dugną, o žemesnės temperatūros SiC sėklinis kristalas fiksuojamas grafito tiglio viršuje. Atstumas tarp miltelių ir sėklos paprastai kontroliuojamas iki dešimčių milimetrų, kad būtų išvengta augančio vieno kristalo ir miltelių kontakto. Temperatūros gradientas paprastai yra 15-35 ℃/cm diapazone. Konvekcijai padidinti krosnyje laikomos 50-5000 Pa inertinės dujos. Tokiu būdu SiC miltelius įkaitinus iki 2000–2500 ℃ indukciniu kaitinimu, SiC milteliai sublimuos ir suskaidys į Si, Si2C, SiC2 ir kitus garų komponentus ir bus transportuojami į sėklų galą su dujų konvekcija, o SiC kristalas kristalizuojamas ant sėklinio kristalo, kad būtų pasiektas vieno kristalo augimas. Jo tipinis augimo greitis yra 0,1-2 mm/val.

PVT procesas orientuotas į augimo temperatūros, temperatūros gradiento, augimo paviršiaus, medžiagos paviršiaus atstumo ir augimo slėgio valdymą, jo pranašumas yra tas, kad jo procesas yra gana subrendęs, žaliavas lengva gaminti, kaina yra maža, tačiau augimo procesas PVT metodą sunku stebėti, kristalų augimo greitis 0,2-0,4 mm/h, sunku išauginti didelio storio (>50 mm) kristalus. Po dešimtmečius trukusių nuolatinių pastangų dabartinė PVT metodu auginamų SiC substrato plokštelių rinka buvo labai didžiulė, o metinė SiC substrato plokštelių produkcija gali siekti šimtus tūkstančių plokštelių, o jos dydis palaipsniui keičiasi nuo 4 colių iki 6 colių. , ir sukūrė 8 colių SiC substrato pavyzdžius.

 

Penkta,Aukštos temperatūros cheminio nusodinimo garais metodas

 

Aukštos temperatūros cheminis nusodinimas garais (HTCVD) yra patobulintas metodas, pagrįstas cheminiu nusodinimu iš garų (CVD). Pirmą kartą šį metodą 1995 m. pasiūlė Kordina ir kt., Linkopingo universitetas, Švedija.
Augimo struktūros diagrama parodyta paveikslėlyje:

Kai SiC kristalas auginamas skystosios fazės metodu, temperatūros ir konvekcijos pasiskirstymas pagalbiniame tirpale parodytas paveikslėlyje:

Matyti, kad temperatūra prie tiglio sienelės pagalbiniame tirpale yra aukštesnė, o prie sėklinio kristalo – žemesnė. Augimo proceso metu grafito tiglis yra C šaltinis kristalų augimui. Kadangi temperatūra prie tiglio sienelės yra aukšta, C tirpumas didelis, o tirpimo greitis greitas, tiglio sienelėje ištirps didelis C kiekis, kad susidarytų prisotintas C tirpalas. Šie tirpalai su dideliu kiekiu Ištirpęs C bus perneštas į apatinę sėklinių kristalų dalį konvekcijos būdu pagalbiniame tirpale. Dėl žemos sėklinio kristalo galo temperatūros atitinkamo C tirpumas atitinkamai sumažėja, o pradinis C prisotintas tirpalas tampa persotintu C tirpalu, kai tokiomis sąlygomis perkeliamas į žemos temperatūros galą. Supratuotas C tirpale kartu su SiC pagalbiniame tirpale gali išauginti SiC kristalą epitaksiškai ant sėklinio kristalo. Kai superforuota C dalis nusėda, tirpalas grįžta į aukštos temperatūros tiglio sienelės galą su konvekcija ir vėl ištirpina C, kad susidarytų prisotintas tirpalas.

Visas procesas kartojasi, o SiC kristalas auga. Skystos fazės augimo procese C tirpimas ir nusodinimas tirpale yra labai svarbus augimo progreso rodiklis. Siekiant užtikrinti stabilų kristalų augimą, būtina išlaikyti pusiausvyrą tarp C ištirpimo tiglio sienelėje ir kritulių sėklos gale. Jei C tirpimas yra didesnis nei C nusodinimas, tada kristale esantis C palaipsniui praturtėja ir įvyks spontaniškas SiC branduolių susidarymas. Jei C tirpimas yra mažesnis nei C nusodinimas, kristalų augimas bus sunkus dėl tirpios medžiagos trūkumo.
Tuo pačiu metu C transportavimas konvekcija taip pat turi įtakos C pasiūlai augimo metu. Norint išauginti pakankamai geros kristalų kokybės ir pakankamo storio SiC kristalus, būtina užtikrinti minėtų trijų elementų balansą, o tai labai apsunkina SiC skystosios fazės augimą. Tačiau laipsniškai tobulėjant ir tobulinant susijusias teorijas ir technologijas, pamažu pasireikš SiC kristalų augimo skystosios fazės pranašumai.
Šiuo metu Japonijoje galima pasiekti 2 colių SiC kristalų augimą skystoje fazėje, taip pat vystomas 4 colių kristalų skystosios fazės augimas. Šiuo metu atitinkamų vidaus tyrimų rezultatai nėra geri, todėl būtina tęsti atitinkamą tiriamąjį darbą.

 

Septinta, SiC kristalų fizinės ir cheminės savybės

 

(1) Mechaninės savybės: SiC kristalai turi labai didelį kietumą ir gerą atsparumą dilimui. Jo kietumas pagal Mosą yra nuo 9,2 iki 9,3, o jo kietumas pagal Krit yra nuo 2900 iki 3100 kg/mm2, o tai yra antrasis po deimantų kristalų tarp atrastų medžiagų. Dėl puikių mechaninių SiC savybių milteliai SiC dažnai naudojami pjovimo ar šlifavimo pramonėje, o metinis poreikis siekia iki milijonų tonų. Kai kurių ruošinių dilimui atspari danga taip pat bus padengta SiC, pavyzdžiui, kai kurių karo laivų dilimui atspari danga yra sudaryta iš SiC dangos.

(2) Šiluminės savybės: SiC šilumos laidumas gali siekti 3–5 W/cm·K, tai yra 3 kartus didesnis nei tradicinio puslaidininkio Si ir 8 kartus didesnis nei GaAs. SiC paruošto įrenginio šilumos gamybą galima greitai nuvesti, todėl SiC įrenginio šilumos sklaidos sąlygų reikalavimai yra gana laisvi, o jis labiau tinka didelio galingumo prietaisams ruošti. SiC turi stabilias termodinamines savybes. Esant normaliam slėgiui, SiC bus tiesiogiai suskaidomas į garus, kurių sudėtyje yra Si ir C aukštesnėje temperatūroje.

(3) Cheminės savybės: SiC turi stabilias chemines savybes, gerą atsparumą korozijai ir kambario temperatūroje nereaguoja su jokia žinoma rūgštimi. SiC, esantis ore ilgą laiką, lėtai suformuos ploną tankaus SiO2 sluoksnį, užkertantį kelią tolimesnėms oksidacijos reakcijoms. Kai temperatūra pakyla iki daugiau nei 1700 ℃, plonas SiO2 sluoksnis išsilydo ir greitai oksiduojasi. SiC gali lėtai oksiduotis su išlydytais oksidatoriais ar bazėmis, o SiC plokštelės paprastai yra korozijos išlydytame KOH ir Na2O2, kad būtų galima apibūdinti dislokaciją SiC kristaluose..

(4) Elektrinės savybės: SiC, kaip tipinė plačiajuosčio tarpo puslaidininkių medžiaga, 6H-SiC ir 4H-SiC juostos plotis yra atitinkamai 3,0 eV ir 3,2 eV, o tai 3 kartus didesnis nei Si ir 2 kartus didesnis nei GaAs. Puslaidininkiniai įtaisai, pagaminti iš SiC, turi mažesnę nuotėkio srovę ir didesnį gedimo elektrinį lauką, todėl SiC laikomas idealia medžiaga didelės galios įrenginiams. SiC sočiųjų elektronų mobilumas taip pat yra 2 kartus didesnis nei Si, be to, jis turi akivaizdžių pranašumų ruošiant aukšto dažnio įrenginius. P tipo SiC kristalus arba N tipo SiC kristalus galima gauti legiruojant kristaluose esančius priemaišų atomus. Šiuo metu P tipo SiC kristalai daugiausia yra legiruoti Al, B, Be, O, Ga, Sc ir kitais atomais, o N tipo sic kristalai daugiausia yra legiruoti N atomais. Dopingo koncentracijos ir tipo skirtumas turės didelę įtaką SiC fizikinėms ir cheminėms savybėms. Tuo pačiu metu laisvąjį nešiklį galima prikalti gilaus lygio legiravimu, tokiu kaip V, galima padidinti varžą ir gauti pusiau izoliacinį SiC kristalą.

(5) Optinės savybės: dėl gana didelio juostos tarpo neleguotas SiC kristalas yra bespalvis ir skaidrus. Legiruoti SiC kristalai pasižymi skirtingomis spalvomis dėl skirtingų savybių, pvz., 6H-SiC po N legiravimo yra žalias; 4H-SiC yra rudos spalvos. 15R-SiC yra geltonos spalvos. Legiruotas Al, 4H-SiC atrodo mėlynas. Tai intuityvus būdas atskirti SiC kristalų tipą, stebint spalvų skirtumą. Per pastaruosius 20 metų nuolat tyrinėjant su SiC susijusias sritis, susijusių technologijų srityje buvo padaryta didelių laimėjimų.

 

aštunta,SiC kūrimo būsenos pristatymas

Šiuo metu SiC pramonė tampa vis tobulesnė – nuo ​​substratinių plokštelių, epitaksinių plokštelių iki prietaisų gamybos, pakavimo, subrendo visa pramonės grandinė ir ji gali tiekti rinkai su SiC susijusius produktus.

Cree yra SiC kristalų auginimo pramonės lyderis, užimantis pirmaujančias pozicijas pagal SiC substrato plokštelių dydį ir kokybę. Šiuo metu Cree per metus pagamina 300 000 SiC substrato lustų, o tai sudaro daugiau nei 80 % pasaulinių siuntų.

2019 m. rugsėjį „Cree“ paskelbė, kad Niujorko valstijoje, JAV, pastatys naują įrenginį, kuriame bus naudojama pažangiausia technologija 200 mm skersmens galios ir RF SiC substrato plokštelėms auginti, o tai rodo, kad 200 mm SiC substrato medžiagos paruošimo technologija tapti brandesniu.

Šiuo metu pagrindiniai SiC substrato lustų produktai rinkoje daugiausia yra 4H-SiC ir 6H-SiC laidūs ir pusiau izoliuoti 2–6 colių tipai.
2015 m. spalį „Cree“ pirmoji išleido 200 mm SiC substrato plokšteles, skirtas N tipo ir LED, taip pažymėdamas 8 colių SiC substrato plokštelių pateikimo rinkai pradžią.
2016 metais „Romm“ pradėjo remti „Venturi“ komandą ir pirmasis automobilyje panaudojo IGBT + SiC SBD derinį, kuris pakeitė IGBT + Si FRD sprendimą tradiciniame 200 kW inverteryje. Po patobulinimo keitiklio svoris sumažėja 2 kg, o dydis sumažėja 19%, išlaikant tą pačią galią.

2017 m., toliau priėmus SiC MOS + SiC SBD, ne tik svoris sumažintas 6 kg, dydis sumažintas 43%, o keitiklio galia taip pat padidinta nuo 200 kW iki 220 kW.
Po to, kai 2018 m. „Tesla“ pagrindiniuose „Model 3“ gaminių pavaros keitikliuose panaudojo SIC pagrįstus įrenginius, demonstravimo efektas greitai sustiprėjo, todėl xEV automobilių rinka netrukus tapo SiC rinkos įspūdžių šaltiniu. Sėkmingai pritaikius SiC, su juo susijusi rinkos produkcijos vertė taip pat sparčiai išaugo.

devintas,Išvada:

Nuolat tobulinant su SiC susijusias pramonės technologijas, toliau gerės jo išeiga ir patikimumas, taip pat mažės SiC įrenginių kaina, o SiC konkurencingumas rinkoje bus akivaizdesnis. Ateityje SiC įrenginiai bus plačiau naudojami įvairiose srityse, tokiose kaip automobiliai, ryšiai, elektros tinklai ir transportas, o produktų rinka bus platesnė, o rinkos dydis bus toliau plečiamas, taps svarbia parama nacionalinei ekonomika.