Štruktúra a technológia rastu karbidu kremíka (Ⅱ)

po štvrté, Fyzikálny spôsob prenosu pár

Metóda fyzického transportu pár (PVT) pochádza z technológie sublimácie v parnej fáze vynájdenej spoločnosťou Lely v roku 1955. Prášok SiC sa umiestni do grafitovej trubice a zahreje sa na vysokú teplotu, aby sa prášok SiC rozložil a sublimoval, a potom sa grafitová trubica ochladí.Po rozklade prášku SiC sa zložky parnej fázy ukladajú a kryštalizujú do kryštálov SiC okolo grafitovej trubice.Hoci je ťažké získať touto metódou veľké monokryštály SiC a proces ukladania v grafitovej trubici je ťažké kontrolovať, poskytuje nápady pre nasledujúcich výskumníkov.
Ym Terairov a kol.v Rusku zaviedli na tomto základe koncept zárodočných kryštálov a vyriešili problém nekontrolovateľného tvaru kryštálov a nukleačnej polohy kryštálov SiC.Nasledujúci výskumníci pokračovali v zlepšovaní a nakoniec vyvinuli metódu fyzického transportu v plynnej fáze (PVT), ktorá sa dnes používa v priemysle.

Ako najskoršia metóda rastu kryštálov SiC je metóda fyzického prenosu pár najbežnejšou metódou rastu pre rast kryštálov SiC.V porovnaní s inými metódami má metóda nízke požiadavky na rastové zariadenie, jednoduchý rastový proces, silnú kontrolovateľnosť, dôkladný vývoj a výskum a má priemyselné využitie.Štruktúra kryštálu pestovaného súčasnou mainstreamovou metódou PVT je znázornená na obrázku.

Axiálne a radiálne teplotné polia môžu byť riadené riadením vonkajších tepelnoizolačných podmienok grafitového téglika.Prášok SiC je umiestnený na dne grafitového téglika s vyššou teplotou a zárodočný kryštál SiC je fixovaný na vrchu grafitového téglika s nižšou teplotou.Vzdialenosť medzi práškom a semenom je vo všeobecnosti riadená na desiatky milimetrov, aby sa zabránilo kontaktu medzi rastúcim monokryštálom a práškom.Teplotný gradient je zvyčajne v rozmedzí 15-35 ℃/cm.Na zvýšenie konvekcie sa v peci udržiava inertný plyn 50-5000 Pa.Týmto spôsobom, po zahriatí prášku SiC na 2000-2500 °C indukčným ohrevom, prášok SiC sublimuje a rozloží sa na Si, Si2C, SiC2 a ďalšie zložky pary a transportuje sa na koniec semien konvekciou plynu a Kryštál SiC kryštalizuje na zárodočnom kryštáli, aby sa dosiahol rast jediného kryštálu.Jeho typická rýchlosť rastu je 0,1-2 mm/h.

Proces PVT sa zameriava na kontrolu teploty rastu, teplotného gradientu, povrchu rastu, rozstupu materiálu a rastového tlaku, jeho výhodou je, že jeho proces je relatívne zrelý, suroviny sa ľahko vyrábajú, náklady sú nízke, ale proces rastu Metóda PVT je ťažko pozorovateľná, rýchlosť rastu kryštálov 0,2-0,4 mm/h, je ťažké pestovať kryštály s veľkou hrúbkou (>50 mm).Po desaťročiach nepretržitého úsilia je súčasný trh s doštičkami substrátu SiC pestovanými metódou PVT veľmi obrovský a ročná produkcia doštičiek substrátu SiC môže dosiahnuť stovky tisíc doštičiek a jeho veľkosť sa postupne mení zo 4 palcov na 6 palcov. a vyvinula 8-palcové vzorky substrátu SiC.

 

piaty,Metóda chemickej depozície pár pri vysokej teplote

 

Vysokoteplotná chemická depozícia z plynnej fázy (HTCVD) je vylepšená metóda založená na chemickej depozícii z plynnej fázy (CVD).Táto metóda bola prvýkrát navrhnutá v roku 1995 Kordinou a kol., Linkoping University, Švédsko.
Diagram štruktúry rastu je znázornený na obrázku:

Axiálne a radiálne teplotné polia môžu byť riadené riadením vonkajších tepelnoizolačných podmienok grafitového téglika.Prášok SiC je umiestnený na dne grafitového téglika s vyššou teplotou a zárodočný kryštál SiC je fixovaný na vrchu grafitového téglika s nižšou teplotou.Vzdialenosť medzi práškom a semenom je vo všeobecnosti riadená na desiatky milimetrov, aby sa zabránilo kontaktu medzi rastúcim monokryštálom a práškom.Teplotný gradient je zvyčajne v rozmedzí 15-35 ℃/cm.Na zvýšenie konvekcie sa v peci udržiava inertný plyn 50-5000 Pa.Týmto spôsobom, po zahriatí prášku SiC na 2000-2500 °C indukčným ohrevom, prášok SiC sublimuje a rozloží sa na Si, Si2C, SiC2 a ďalšie zložky pary a transportuje sa na koniec semien konvekciou plynu a Kryštál SiC kryštalizuje na zárodočnom kryštáli, aby sa dosiahol rast jediného kryštálu.Jeho typická rýchlosť rastu je 0,1-2 mm/h.

Proces PVT sa zameriava na kontrolu teploty rastu, teplotného gradientu, povrchu rastu, rozstupu materiálu a rastového tlaku, jeho výhodou je, že jeho proces je relatívne zrelý, suroviny sa ľahko vyrábajú, náklady sú nízke, ale proces rastu Metóda PVT je ťažko pozorovateľná, rýchlosť rastu kryštálov 0,2-0,4 mm/h, je ťažké pestovať kryštály s veľkou hrúbkou (>50 mm).Po desaťročiach nepretržitého úsilia je súčasný trh s doštičkami substrátu SiC pestovanými metódou PVT veľmi obrovský a ročná produkcia doštičiek substrátu SiC môže dosiahnuť stovky tisíc doštičiek a jeho veľkosť sa postupne mení zo 4 palcov na 6 palcov. a vyvinula 8-palcové vzorky substrátu SiC.

 

piaty,Metóda chemickej depozície pár pri vysokej teplote

 

Vysokoteplotná chemická depozícia z plynnej fázy (HTCVD) je vylepšená metóda založená na chemickej depozícii z plynnej fázy (CVD).Táto metóda bola prvýkrát navrhnutá v roku 1995 Kordinou a kol., Linkoping University, Švédsko.
Diagram štruktúry rastu je znázornený na obrázku:

Keď sa kryštál SiC pestuje metódou v kvapalnej fáze, teplota a rozloženie konvekcie vo vnútri pomocného roztoku sú znázornené na obrázku:

Je vidieť, že teplota v blízkosti steny téglika v pomocnom roztoku je vyššia, zatiaľ čo teplota pri zárodočnom kryštáli je nižšia.Počas procesu rastu poskytuje grafitový téglik zdroj C pre rast kryštálov.Pretože teplota na stene téglika je vysoká, rozpustnosť C je veľká a rýchlosť rozpúšťania je rýchla, veľké množstvo C sa rozpustí na stene téglika za vzniku nasýteného roztoku C. Tieto roztoky s veľkým množstvom rozpusteného C bude transportované do spodnej časti zárodočných kryštálov konvekciou v pomocnom roztoku.V dôsledku nízkej teploty konca zárodočného kryštálu sa rozpustnosť zodpovedajúceho C zodpovedajúcim spôsobom znižuje a pôvodný C-nasýtený roztok sa stáva presýteným roztokom C po prenesení na nízkoteplotný koniec za týchto podmienok.Presýtený C v roztoku v kombinácii s Si v pomocnom roztoku môže epitaxne rásť kryštál SiC na zárodočnom kryštáli.Keď sa superforovaná časť C vyzráža, roztok sa konvekciou vráti k vysokoteplotnému koncu steny téglika a znova rozpustí C za vzniku nasýteného roztoku.

Celý proces sa opakuje a kryštál SiC rastie.V procese rastu v kvapalnej fáze je rozpúšťanie a zrážanie C v roztoku veľmi dôležitým ukazovateľom rastu.Aby sa zabezpečil stabilný rast kryštálov, je potrebné udržiavať rovnováhu medzi rozpúšťaním C na stene téglika a precipitáciou na konci semien.Ak je rozpúšťanie C väčšie ako zrážanie C, potom sa C v kryštáli postupne obohacuje a dochádza k spontánnej nukleácii SiC.Ak je rozpúšťanie C menšie ako zrážanie C, rast kryštálov bude ťažké uskutočniť kvôli nedostatku rozpustenej látky.
Zároveň transport C konvekciou ovplyvňuje aj prísun C počas rastu.Aby bolo možné pestovať kryštály SiC s dostatočne dobrou kvalitou kryštálov a dostatočnou hrúbkou, je potrebné zabezpečiť rovnováhu vyššie uvedených troch prvkov, čo značne zvyšuje náročnosť rastu kvapalnej fázy SiC.S postupným zdokonaľovaním a zdokonaľovaním súvisiacich teórií a technológií sa však postupne prejavia výhody rastu kryštálov SiC v kvapalnej fáze.
V súčasnosti je možné v Japonsku dosiahnuť rast 2-palcových kryštálov SiC v kvapalnej fáze a vyvíja sa aj rast 4-palcových kryštálov v kvapalnej fáze.V súčasnosti príslušný domáci výskum nedosahuje dobré výsledky a je potrebné nadviazať na relevantné výskumné práce.

 

siedmy, Fyzikálne a chemické vlastnosti kryštálov SiC

 

(1) Mechanické vlastnosti: Kryštály SiC majú extrémne vysokú tvrdosť a dobrú odolnosť proti opotrebovaniu.Jeho tvrdosť podľa Mohsa je medzi 9,2 a 9,3 a tvrdosť Krit medzi 2900 a 3100 kg/mm2, čo je po diamantových kryštáloch na druhom mieste medzi objavenými materiálmi.Vďaka vynikajúcim mechanickým vlastnostiam SiC sa práškový SiC často používa v priemysle rezania alebo brúsenia s ročným dopytom až do miliónov ton.Povlak odolný proti opotrebeniu na niektorých obrobkoch bude tiež používať povlak SiC, napríklad povlak odolný voči opotrebovaniu na niektorých vojnových lodiach pozostáva z povlaku SiC.

(2) Tepelné vlastnosti: tepelná vodivosť SiC môže dosiahnuť 3-5 W/cm·K, čo je 3-krát viac ako u tradičného polovodičového Si a 8-krát viac ako u GaAs.Produkciu tepla zariadenia pripraveného SiC je možné rýchlo odviesť, takže požiadavky na podmienky odvodu tepla zariadenia SiC sú pomerne voľné a je vhodnejšie na prípravu vysokovýkonných zariadení.SiC má stabilné termodynamické vlastnosti.Za normálnych tlakových podmienok sa SiC bude priamo rozkladať na paru obsahujúcu Si a C pri vyššej teplote.

(3) Chemické vlastnosti: SiC má stabilné chemické vlastnosti, dobrú odolnosť proti korózii a pri izbovej teplote nereaguje so žiadnou známou kyselinou.SiC umiestnený vo vzduchu na dlhú dobu pomaly vytvorí tenkú vrstvu hustého SiO2, čím zabráni ďalším oxidačným reakciám.Keď teplota stúpne na viac ako 1700 ℃, tenká vrstva SiO2 sa topí a rýchlo oxiduje.SiC môže podstúpiť pomalú oxidačnú reakciu s roztavenými oxidantmi alebo zásadami a doštičky SiC sú zvyčajne korodované v roztavenom KOH a Na2O2, aby sa charakterizovala dislokácia v kryštáloch SiC.

(4) Elektrické vlastnosti: SiC ako reprezentatívny materiál polovodičov so širokou pásmovou medzerou, šírka pásma 6H-SiC a 4H-SiC je 3,0 eV a 3,2 eV, čo je 3-násobok Si a 2-násobok GaAs.Polovodičové súčiastky vyrobené z SiC majú menší zvodový prúd a väčšie prierazné elektrické pole, preto je SiC považovaný za ideálny materiál pre výkonné zariadenia.Mobilita nasýtených elektrónov SiC je tiež 2-krát vyššia ako u Si a má tiež zjavné výhody pri príprave vysokofrekvenčných zariadení.Kryštály SiC typu P alebo kryštály SiC typu N možno získať dotovaním atómov nečistôt v kryštáloch.V súčasnosti sú kryštály SiC typu P dopované najmä atómami Al, B, Be, O, Ga, Sc a inými a kryštály sic typu N sú dotované najmä atómami N.Rozdiel v koncentrácii a type dopingu bude mať veľký vplyv na fyzikálne a chemické vlastnosti SiC.Súčasne môže byť voľný nosič pribitý hlbokým dopovaním, ako je V, môže sa zvýšiť odpor a môže sa získať poloizolačný kryštál SiC.

(5) Optické vlastnosti: V dôsledku relatívne širokého pásma je nedopovaný kryštál SiC bezfarebný a priehľadný.Dopované kryštály SiC vykazujú rôzne farby v dôsledku ich rôznych vlastností, napríklad 6H-SiC je po dotovaní N zelený;4H-SiC je hnedá.15R-SiC je žltý.Dopovaný Al, 4H-SiC sa javí ako modrý.Je to intuitívna metóda na rozlíšenie typu kryštálov SiC pozorovaním rozdielu farby.S neustálym výskumom v oblastiach súvisiacich s SiC za posledných 20 rokov boli dosiahnuté veľké prelomy v súvisiacich technológiách.

 

ôsmy,Zavedenie stavu rozvoja SiC

V súčasnosti je priemysel SiC čoraz dokonalejší, od substrátových plátkov, epitaxných plátkov až po výrobu zariadení, balenie, dozrel celý priemyselný reťazec a môže dodávať produkty súvisiace s SiC na trh.

Cree je lídrom v odvetví rastu kryštálov SiC s vedúcou pozíciou vo veľkosti a kvalite substrátov SiC.Cree v súčasnosti vyrába 300 000 SiC substrátových čipov ročne, čo predstavuje viac ako 80 % celosvetových dodávok.

V septembri 2019 spoločnosť Cree oznámila, že postaví nové zariadenie v štáte New York, USA, ktoré bude využívať najmodernejšiu technológiu na pestovanie výkonových a RF SiC doštičiek substrátu s priemerom 200 mm, čo naznačuje, že jeho technológia prípravy substrátového materiálu s priemerom 200 mm stať sa zrelším.

V súčasnosti sú hlavnými produktmi SiC substrátových čipov na trhu hlavne 4H-SiC a 6H-SiC vodivé a poloizolované typy 2-6 palcov.
V októbri 2015 spoločnosť Cree ako prvá uviedla na trh 200 mm doštičky substrátu SiC pre typ N a LED, čím sa na trh dostali 8-palcové doštičky substrátu SiC.
V roku 2016 začal Romm sponzorovať tím Venturi a ako prvý použil v aute kombináciu IGBT + SiC SBD, aby nahradil riešenie IGBT + Si FRD v tradičnom 200 kW meniči.Po vylepšení sa hmotnosť meniča zníži o 2 kg a veľkosť sa zníži o 19 % pri zachovaní rovnakého výkonu.

V roku 2017, po ďalšom prijatí SiC MOS + SiC SBD, sa nielen zníži hmotnosť o 6 kg, veľkosť sa zníži o 43 % a zvýši sa aj výkon meniča z 200 kW na 220 kW.
Potom, čo Tesla v roku 2018 prijala zariadenia založené na SIC v hlavných meničoch svojich produktov Model 3, demonštračný efekt sa rýchlo zosilnil, vďaka čomu sa automobilový trh xEV čoskoro stal zdrojom vzrušenia pre trh SiC.S úspešnou aplikáciou SiC rapídne vzrástla aj jeho súvisiaca trhová výstupná hodnota.

deviaty,Záver:

S neustálym zlepšovaním priemyselných technológií súvisiacich s SiC sa bude ďalej zlepšovať jeho výťažnosť a spoľahlivosť, zníži sa aj cena zariadení SiC a konkurencieschopnosť SiC na trhu bude zreteľnejšia.V budúcnosti budú zariadenia SiC širšie používané v rôznych oblastiach, ako sú automobily, komunikácie, energetické siete a doprava, a produktový trh bude širší a veľkosť trhu sa bude ďalej rozširovať, čím sa stane dôležitou podporou pre národné hospodárstva.