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 lebomlása után a gőzfázisú komponensek lerakódnak és SiC kristályokká kristályosodnak a grafitcső körül.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 Az oltókristályon SiC kristályt kristályosítanak 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 Az oltókristályon SiC kristályt kristályosítanak 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 a magkristályok 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 oldódása kisebb, mint a C kicsapódása, akkor a kristálynövekedést nehéz lesz végrehajtani az oldott anyag hiánya miatt.
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 szilícium-karbid lassú oxidációs reakción mehet keresztül olvadt oxidálószerekkel vagy bázisokkal, és a SiC ostyákat általában olvadt KOH-ban és Na2O2-ban korrodálják, hogy jellemezzék a szilícium-karbid kristályok elmozdulását..

(4) Elektromos tulajdonságok: A SiC, mint a széles sávszélességű 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 2-szer nagyobb, mint a Si-é, és nyilvánvaló előnyei vannak a nagyfrekvenciás készülékek készítésénél is.P-típusú SiC-kristályok vagy N-típusú SiC-kristályok állíthatók elő a kristályokban lévő szennyezőatomok adalékolásával.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.