A szilícium-karbid szerkezete és növekedési technológiája (Ⅱ)

Negyedik, Fizikai gőzátviteli módszer

A fizikai gőztranszport (PVT) módszer a Lely által 1955-ben feltalált gőzfázisú szublimációs technológiából származik. A SiC port egy grafitcsőbe helyezik és magas hőmérsékletre melegítik a SiC por lebontására és szublimálására, majd a grafitcsövet lehűtik. A SiC por bomlása után a gőzfázisú komponensek leülepednek és a grafitcső körül SiC kristályokká kristályosodnak. Bár ezzel a módszerrel nehéz nagyméretű SiC egykristályokat előállítani, és a grafitcsőben a lerakódási folyamatot nehéz szabályozni, ötleteket ad a későbbi kutatóknak.
Ym Terairov et al. Oroszországban ezen az alapon vezették be az oltókristályok fogalmát, és megoldották a SiC kristályok ellenőrizhetetlen kristályformájának és góchelyzetének problémáját. A későbbi kutatók tovább fejlesztették, és végül kifejlesztették a fizikai gázfázisú transzport (PVT) módszert a mai ipari felhasználásban.

Mint a legkorábbi SiC kristálynövekedési módszer, a fizikai gőzátviteli módszer a legáltalánosabb növekedési módszer a SiC kristályok növesztésére. Más módszerekkel összehasonlítva a módszer alacsony követelményeket támaszt a tenyésztő berendezésekkel szemben, egyszerű növekedési folyamattal, erős irányíthatósággal, alapos fejlesztéssel és kutatással, valamint ipari alkalmazást is megvalósított. A jelenlegi mainstream PVT módszerrel termesztett kristály szerkezetét az ábra mutatja.

Az axiális és radiális hőmérsékletmező a grafittégely külső hőszigetelési viszonyainak szabályozásával szabályozható. A SiC port a grafittégely aljára helyezzük magasabb hőmérsékleten, a SiC oltókristályt pedig alacsonyabb hőmérsékleten a grafittégely tetejére rögzítjük. A por és a mag közötti távolságot általában több tíz milliméterre szabályozzák, hogy elkerüljék a növekvő egykristály és a por közötti érintkezést. A hőmérsékleti gradiens általában 15-35 ℃/cm tartományban van. A kemencében 50-5000 Pa inert gázt tartanak a konvekció növelése érdekében. Ily módon, miután a SiC port indukciós hevítéssel 2000-2500 ℃-ra melegítjük, a SiC por szublimálódik és Si, Si2C, SiC2 és egyéb gőzkomponensekre bomlik, és gázkonvekcióval a magvégre kerül, és a A SiC kristályt az oltókristályon kristályosítják az egykristálynövekedés elérése érdekében. Jellemző növekedési üteme 0,1-2 mm/h.

A PVT folyamat a növekedési hőmérséklet, a hőmérsékleti gradiens, a növekedési felület, az anyagfelület távolságának és a növekedési nyomás szabályozására összpontosít, előnye, hogy folyamata viszonylag érett, a nyersanyagok előállítása egyszerű, a költségek alacsonyak, de a növekedési folyamat A PVT módszer nehezen megfigyelhető, 0,2-0,4 mm/h kristálynövekedési sebesség, nehéz nagy vastagságú (>50 mm) kristályokat növeszteni. Több évtizedes folyamatos erőfeszítések után a PVT módszerrel termesztett SiC szubsztrát ostyák jelenlegi piaca nagyon hatalmasra nőtt, és a SiC szubsztrát ostyák éves termelése elérheti a több százezer ostyát, mérete pedig fokozatosan 4 hüvelykről 6 hüvelykre változik. , és 8 hüvelykes SiC szubsztrát mintákat fejlesztett ki.

 

Ötödik,Magas hőmérsékletű kémiai gőzleválasztási módszer

 

A magas hőmérsékletű kémiai gőzfázisú leválasztás (HTCVD) egy továbbfejlesztett módszer, amely a kémiai gőzfázisú leválasztáson (CVD) alapul. A módszert először 1995-ben Kordina és munkatársai, a svédországi Linkoping Egyetem javasolták.
A növekedési szerkezet diagramja az ábrán látható:

Az axiális és radiális hőmérsékletmező a grafittégely külső hőszigetelési viszonyainak szabályozásával szabályozható. A SiC port a grafittégely aljára helyezzük magasabb hőmérsékleten, a SiC oltókristályt pedig alacsonyabb hőmérsékleten a grafittégely tetejére rögzítjük. A por és a mag közötti távolságot általában több tíz milliméterre szabályozzák, hogy elkerüljék a növekvő egykristály és a por közötti érintkezést. A hőmérsékleti gradiens általában 15-35 ℃/cm tartományban van. A kemencében 50-5000 Pa inert gázt tartanak a konvekció növelése érdekében. Ily módon, miután a SiC port indukciós hevítéssel 2000-2500 ℃-ra melegítjük, a SiC por szublimálódik és Si, Si2C, SiC2 és egyéb gőzkomponensekre bomlik, és gázkonvekcióval a magvégre kerül, és a A SiC kristályt az oltókristályon kristályosítják az egykristálynövekedés elérése érdekében. Jellemző növekedési üteme 0,1-2 mm/h.

A PVT folyamat a növekedési hőmérséklet, a hőmérsékleti gradiens, a növekedési felület, az anyagfelület távolságának és a növekedési nyomás szabályozására összpontosít, előnye, hogy folyamata viszonylag érett, a nyersanyagok előállítása egyszerű, a költségek alacsonyak, de a növekedési folyamat A PVT módszer nehezen megfigyelhető, 0,2-0,4 mm/h kristálynövekedési sebesség, nehéz nagy vastagságú (>50 mm) kristályokat növeszteni. Több évtizedes folyamatos erőfeszítések után a PVT módszerrel termesztett SiC szubsztrát ostyák jelenlegi piaca nagyon hatalmasra nőtt, és a SiC szubsztrát ostyák éves termelése elérheti a több százezer ostyát, mérete pedig fokozatosan 4 hüvelykről 6 hüvelykre változik. , és 8 hüvelykes SiC szubsztrát mintákat fejlesztett ki.

 

Ötödik,Magas hőmérsékletű kémiai gőzleválasztási módszer

 

A magas hőmérsékletű kémiai gőzfázisú leválasztás (HTCVD) egy továbbfejlesztett módszer, amely a kémiai gőzfázisú leválasztáson (CVD) alapul. A módszert először 1995-ben Kordina és munkatársai, a svédországi Linkoping Egyetem javasolták.
A növekedési szerkezet diagramja az ábrán látható:

Ha a SiC kristályt folyadékfázisú módszerrel növesztjük, a segédoldat belsejében a hőmérséklet és a konvekciós eloszlás az ábrán látható:

Látható, hogy a segédoldatban a tégely fala közelében magasabb, míg az oltókristálynál alacsonyabb a hőmérséklet. A növekedési folyamat során a grafittégely C-forrást biztosít a kristálynövekedéshez. Mivel a tégely falánál a hőmérséklet magas, a C oldhatósága nagy, és az oldódási sebesség gyors, nagy mennyiségű C feloldódik a tégely falán, és így telített C oldat keletkezik. Ezek az oldatok nagy mennyiségben Az oldott C a segédoldatban konvekcióval az oltókristályok alsó részébe kerül. Az oltókristályvég alacsony hőmérséklete miatt a megfelelő C oldhatósága ennek megfelelően csökken, és az eredeti C-telített oldat C túltelített oldatává válik, miután ilyen körülmények között az alacsony hőmérsékletű végre kerül. Az oldatban lévő szuprataturált C a segédoldatban lévő Si-vel kombinálva SiC kristályt növeszthet epitaxiálisan az oltókristályon. Amikor a C szuperforált része kicsapódik, az oldat konvekcióval visszakerül a tégely falának magas hőmérsékletű végére, és újra feloldja a C-t, így telített oldat keletkezik.

Az egész folyamat megismétlődik, és a SiC kristály növekszik. A folyadékfázisú növekedés folyamatában a C oldatban való oldódása és kicsapódása a növekedés előrehaladásának nagyon fontos mutatója. A stabil kristálynövekedés biztosítása érdekében egyensúlyt kell tartani a tégely falán a C feloldódása és a magvégen a csapadék között. Ha a C oldódása nagyobb, mint a C kiválása, akkor a kristályban lévő C fokozatosan feldúsul, és a SiC spontán gócképződése következik be. Ha a C kioldódása kisebb, mint a C kicsapódása, akkor a kristálynövekedés az oldott anyag hiánya miatt nehezen kivitelezhető.
Ugyanakkor a C konvekciós transzportja a növekedés során a C utánpótlást is befolyásolja. Ahhoz, hogy kellően jó kristályminőségű és kellő vastagságú SiC kristályokat neveljünk, biztosítani kell a fenti három elem egyensúlyát, ami nagymértékben megnehezíti a SiC folyadékfázis növekedését. A kapcsolódó elméletek és technológiák fokozatos javulásával és fejlesztésével azonban fokozatosan megmutatkoznak a SiC kristályok folyadékfázisú növekedésének előnyei.
Jelenleg Japánban valósítható meg a 2 hüvelykes SiC kristályok folyadékfázisú növekedése, és a 4 hüvelykes kristályok folyadékfázisú növekedése is fejlesztés alatt áll. Az idevágó hazai kutatások jelenleg nem láttak jó eredményeket, ezért szükséges a vonatkozó kutatómunka nyomon követése.

 

Hetedik, A SiC kristályok fizikai és kémiai tulajdonságai

 

(1) Mechanikai tulajdonságok: A SiC kristályok rendkívül nagy keménységgel és jó kopásállósággal rendelkeznek. Mohs-keménysége 9,2 és 9,3 között van, Krit keménysége pedig 2900 és 3100 kg/mm2 között van, ami a második helyen áll a gyémántkristályok után a felfedezett anyagok között. A SiC kiváló mechanikai tulajdonságainak köszönhetően a por alakú SiC-ot gyakran használják a forgácsoló- vagy köszörülési iparban, éves igény akár millió tonna. Egyes munkadarabokon a kopásálló bevonat SiC bevonatot is használ, például egyes hadihajókon a kopásálló bevonat SiC bevonatból áll.

(2) Hőtulajdonságok: a SiC hővezető képessége elérheti a 3-5 W/cm·K értéket, ami 3-szorosa a hagyományos félvezető Si-énak és 8-szorosa a GaA-énak. A SiC-vel készített készülék hőtermelése gyorsan elvezethető, így a SiC készülék hőleadási feltételeivel szemben támasztott követelmények viszonylag lazaak, és alkalmasabb nagy teljesítményű készülékek készítésére. A SiC stabil termodinamikai tulajdonságokkal rendelkezik. Normál nyomási körülmények között a SiC közvetlenül szilícium-dioxidot és magasabb hőmérsékleten C-t tartalmazó gőzre bomlik.

(3) Kémiai tulajdonságok: A SiC stabil kémiai tulajdonságokkal rendelkezik, jó korrózióállósággal rendelkezik, és szobahőmérsékleten nem lép reakcióba egyetlen ismert savval sem. A hosszú ideig levegőben lévő SiC lassan vékony SiO2 réteget képez, megakadályozva a további oxidációs reakciókat. Amikor a hőmérséklet 1700 ℃ fölé emelkedik, a vékony SiO2 réteg megolvad és gyorsan oxidálódik. A SiC lassú oxidációs reakción mehet keresztül olvadt oxidálószerekkel vagy bázisokkal, és a SiC ostyákat általában korrodálják olvadt KOH-ban és Na2O2-ban, hogy jellemezzék a szilícium-karbid kristályok elmozdulását..

(4) Elektromos tulajdonságok: A SiC, mint a széles sávú félvezetők reprezentatív anyaga, a 6H-SiC és 4H-SiC sávszélessége 3,0 eV, illetve 3,2 eV, ami háromszorosa a Si-nek és kétszerese a GaAs-nak. A SiC-ből készült félvezető eszközök kisebb szivárgási árammal és nagyobb áttörési elektromos mezővel rendelkeznek, így a SiC ideális anyag a nagy teljesítményű eszközökhöz. A SiC telített elektronmobilitása is kétszerese a Si-énak, és nyilvánvaló előnyei vannak a nagyfrekvenciás készülékek készítésénél is. P-típusú SiC kristályok vagy N-típusú SiC kristályok állíthatók elő a kristályokban lévő szennyező atomok doppingolásával. Jelenleg a P-típusú SiC kristályokat főleg Al, B, Be, O, Ga, Sc és más atomok adalékolják, az N-típusú SiC kristályokat pedig főként N atomok adalékolják. A szilícium-karbid fizikai és kémiai tulajdonságaira nagy hatással lesz az adalékkoncentráció és -típus különbsége. Ugyanakkor a mélyszintű adalékkal, mint például a V, felszögezhető a szabad hordozó, növelhető az ellenállás, és előállítható a félszigetelő SiC kristály.

(5) Optikai tulajdonságok: A viszonylag széles sávszélesség miatt az adalékolatlan SiC kristály színtelen és átlátszó. Az adalékolt SiC kristályok eltérő tulajdonságaik miatt eltérő színt mutatnak, például a 6H-SiC zöld színű a N adalékolása után; A 4H-SiC barna. A 15R-SiC sárga. Al-dal adalékolt 4H-SiC kéknek tűnik. Ez egy intuitív módszer a SiC kristály típusának megkülönböztetésére a színkülönbség megfigyelésével. Az elmúlt 20 évben a szilícium-karbiddal kapcsolatos területek folyamatos kutatásával nagy áttörések történtek a kapcsolódó technológiák terén.

 

Nyolcadik,A SiC fejlesztési állapot bemutatása

Jelenleg a SiC ipar egyre tökéletesebbé vált, a szubsztrát ostyáktól az epitaxiális ostyákon át az eszközgyártásig, csomagolásig, a teljes ipari lánc kiforrott, SiC kapcsolódó termékeket tud szállítani a piacra.

A Cree vezető szerepet tölt be a SiC kristálynövekedési iparágban, vezető pozícióval a SiC szubsztrát lapkák méretében és minőségében egyaránt. A Cree jelenleg 300 000 SiC szubsztrát chipet gyárt évente, ami a globális szállítások több mint 80%-át teszi ki.

2019 szeptemberében a Cree bejelentette, hogy új létesítményt épít az Egyesült Államokban, New York államban, amely a legfejlettebb technológiát alkalmazza 200 mm átmérőjű teljesítmény- és RF SiC szubsztrát lapkák termesztésére, jelezve, hogy a 200 mm-es SiC hordozóanyag-előkészítési technológiája érettebbé válnak.

Jelenleg a piacon a SiC szubsztrát chipek fő termékei főként 4H-SiC és 6H-SiC vezetőképes és félig szigetelt, 2-6 hüvelykes típusok.
2015 októberében a Cree elsőként dobott piacra 200 mm-es SiC szubsztrát lapkákat N-típusú és LED-ekhez, ezzel jelezve a 8 hüvelykes SiC szubsztrát lapkák piacra dobásának kezdetét.
2016-ban a Romm megkezdte a Venturi csapat szponzorálását, és elsőként alkalmazta az IGBT + SiC SBD kombinációt az autóban az IGBT + Si FRD megoldás helyett a hagyományos 200 kW-os inverterben. A fejlesztés után az inverter tömege 2 kg-mal, a mérete pedig 19%-kal csökken, miközben a teljesítmény megmarad.

2017-ben a SiC MOS + SiC SBD további bevezetése után nem csak a tömeg csökkent 6 kg-mal, hanem a méret is 43%-kal, és az inverter teljesítménye is 200 kW-ról 220 kW-ra nőtt.
Miután a Tesla 2018-ban bevezette a SIC-alapú eszközöket Model 3 termékei fő hajtásszabályozóiba, a demonstrációs hatás gyorsan felerősödött, így az xEV autóipari piac hamarosan a SiC-piac izgalma forrásává vált. A SiC sikeres alkalmazásával a kapcsolódó piaci kibocsátási értéke is gyorsan emelkedett.

Kilencedik,Következtetés:

A SiC-hez kapcsolódó ipari technológiák folyamatos fejlesztésével tovább javul a hozam és a megbízhatóság, a SiC eszközök ára is csökken, és nyilvánvalóbbá válik a SiC piaci versenyképessége. A jövőben a SiC eszközöket szélesebb körben használják majd különféle területeken, mint például az autóiparban, a kommunikációban, az elektromos hálózatokban és a közlekedésben, a termékpiac pedig szélesebb lesz, a piac mérete pedig tovább bővül, ami fontos támasza lesz az országos gazdaságnak. gazdaság.