Quart, Mètode físic de transferència de vapor
El mètode de transport físic de vapor (PVT) es va originar a partir de la tecnologia de sublimació en fase de vapor inventada per Lely el 1955. La pols de SiC es col·loca en un tub de grafit i s'escalfa a alta temperatura per descompondre i sublimar la pols de SiC, i després es refreda el tub de grafit.Després de la descomposició de la pols de SiC, els components de la fase de vapor es dipositen i es cristal·litzen en cristalls de SiC al voltant del tub de grafit.Tot i que aquest mètode és difícil d'obtenir cristalls simples de SiC de gran mida i el procés de deposició al tub de grafit és difícil de controlar, proporciona idees per als investigadors posteriors.
Ym Terairov et al.a Rússia va introduir el concepte de cristalls de llavors sobre aquesta base i va resoldre el problema de la forma incontrolable del cristall i la posició de nucleació dels cristalls de SiC.Els investigadors posteriors van continuar millorant i finalment van desenvolupar el mètode de transport físic en fase gasosa (PVT) en l'ús industrial actual.
Com a mètode de creixement de cristalls de SiC més primerenc, el mètode de transferència de vapor físic és el mètode de creixement més habitual per al creixement de cristalls de SiC.En comparació amb altres mètodes, el mètode té uns requisits baixos per a equips de creixement, un procés de creixement senzill, una forta controlabilitat, un desenvolupament i investigació exhaustius i s'ha realitzat una aplicació industrial.A la figura es mostra l'estructura del cristall cultivat pel mètode PVT actual.
Els camps de temperatura axial i radial es poden controlar controlant les condicions d'aïllament tèrmic extern del gresol de grafit.La pols de SiC es col·loca a la part inferior del gresol de grafit amb una temperatura més alta i el cristall de llavors de SiC es fixa a la part superior del gresol de grafit amb una temperatura més baixa.La distància entre la pols i la llavor es controla generalment en desenes de mil·límetres per evitar el contacte entre el monocristall en creixement i la pols.El gradient de temperatura sol estar en el rang de 15-35 ℃/cm.Es manté un gas inert de 50-5000 Pa al forn per augmentar la convecció.D'aquesta manera, després que la pols de SiC s'escalfi a 2000-2500 ℃ mitjançant escalfament per inducció, la pols de SiC es sublimarà i es descompondrà en Si, Si2C, SiC2 i altres components de vapor, i es transportarà a l'extrem de la llavor amb convecció de gas i el El cristall de SiC es cristal·litza al cristall de llavor per aconseguir un creixement d'un sol cristall.La seva taxa de creixement típica és de 0,1-2 mm/h.
El procés PVT se centra en el control de la temperatura de creixement, el gradient de temperatura, la superfície de creixement, l'espai de la superfície del material i la pressió de creixement, el seu avantatge és que el seu procés és relativament madur, les matèries primeres són fàcils de produir, el cost és baix, però el procés de creixement de El mètode PVT és difícil d'observar, la taxa de creixement del cristall és de 0,2-0,4 mm/h, és difícil fer créixer cristalls de gran gruix (> 50 mm).Després de dècades d'esforços continus, el mercat actual de les hòsties de substrat de SiC cultivades pel mètode PVT ha estat molt gran, i la producció anual de les hòsties de substrat de SiC pot arribar a centenars de milers d'hòsties, i la seva mida està canviant gradualment de 4 polzades a 6 polzades. , i ha desenvolupat 8 polzades de mostres de substrat de SiC.
Cinquè,Mètode de deposició de vapor químic a alta temperatura
La deposició de vapor químic a alta temperatura (HTCVD) és un mètode millorat basat en la deposició de vapor químic (CVD).El mètode va ser proposat per primera vegada l'any 1995 per Kordina et al., Universitat de Linkoping, Suècia.
El diagrama de l'estructura del creixement es mostra a la figura:
Els camps de temperatura axial i radial es poden controlar controlant les condicions d'aïllament tèrmic extern del gresol de grafit.La pols de SiC es col·loca a la part inferior del gresol de grafit amb una temperatura més alta i el cristall de llavors de SiC es fixa a la part superior del gresol de grafit amb una temperatura més baixa.La distància entre la pols i la llavor es controla generalment en desenes de mil·límetres per evitar el contacte entre el monocristall en creixement i la pols.El gradient de temperatura sol estar en el rang de 15-35 ℃/cm.Es manté un gas inert de 50-5000 Pa al forn per augmentar la convecció.D'aquesta manera, després que la pols de SiC s'escalfi a 2000-2500 ℃ mitjançant escalfament per inducció, la pols de SiC es sublimarà i es descompondrà en Si, Si2C, SiC2 i altres components de vapor, i es transportarà a l'extrem de la llavor amb convecció de gas i el El cristall de SiC es cristal·litza al cristall de llavor per aconseguir un creixement d'un sol cristall.La seva taxa de creixement típica és de 0,1-2 mm/h.
El procés PVT se centra en el control de la temperatura de creixement, el gradient de temperatura, la superfície de creixement, l'espai de la superfície del material i la pressió de creixement, el seu avantatge és que el seu procés és relativament madur, les matèries primeres són fàcils de produir, el cost és baix, però el procés de creixement de El mètode PVT és difícil d'observar, la taxa de creixement del cristall és de 0,2-0,4 mm/h, és difícil fer créixer cristalls de gran gruix (> 50 mm).Després de dècades d'esforços continus, el mercat actual de les hòsties de substrat de SiC cultivades pel mètode PVT ha estat molt gran, i la producció anual de les hòsties de substrat de SiC pot arribar a centenars de milers d'hòsties, i la seva mida està canviant gradualment de 4 polzades a 6 polzades. , i ha desenvolupat 8 polzades de mostres de substrat de SiC.
Cinquè,Mètode de deposició de vapor químic a alta temperatura
La deposició de vapor químic a alta temperatura (HTCVD) és un mètode millorat basat en la deposició de vapor químic (CVD).El mètode va ser proposat per primera vegada l'any 1995 per Kordina et al., Universitat de Linkoping, Suècia.
El diagrama de l'estructura del creixement es mostra a la figura:
Quan el cristall de SiC es fa créixer pel mètode de la fase líquida, la temperatura i la distribució de convecció dins de la solució auxiliar es mostren a la figura:
Es pot veure que la temperatura prop de la paret del gresol a la solució auxiliar és més alta, mentre que la temperatura al cristall de llavors és més baixa.Durant el procés de creixement, el gresol de grafit proporciona una font de C per al creixement del cristall.Com que la temperatura a la paret del gresol és alta, la solubilitat de C és gran i la velocitat de dissolució és ràpida, una gran quantitat de C es dissol a la paret del gresol per formar una solució saturada de C. Aquestes solucions amb una gran quantitat. de C dissolt es transportarà a la part inferior dels cristalls de llavors per convecció dins de la solució auxiliar.A causa de la baixa temperatura de l'extrem del cristall de llavors, la solubilitat del C corresponent disminueix de manera corresponent i la solució original saturada de C es converteix en una solució sobresaturada de C després de transferir-se a l'extrem de baixa temperatura sota aquesta condició.El C supraaturat en solució combinat amb Si en solució auxiliar pot fer créixer el cristall de SiC epitaxial sobre el cristall de llavors.Quan la part superforada de C precipita, la solució torna a l'extrem d'alta temperatura de la paret del gresol amb convecció i es dissol de nou C per formar una solució saturada.
Tot el procés es repeteix i el cristall de SiC creix.En el procés de creixement en fase líquida, la dissolució i precipitació de C en solució és un índex molt important del progrés del creixement.Per tal d'assegurar un creixement estable dels cristalls, cal mantenir un equilibri entre la dissolució de C a la paret del gresol i la precipitació a l'extrem de la llavor.Si la dissolució de C és més gran que la precipitació de C, aleshores el C del cristall s'enriqueix gradualment i es produirà una nucleació espontània de SiC.Si la dissolució de C és menor que la precipitació de C, el creixement del cristall serà difícil de dur a terme a causa de la manca de solut.
Al mateix temps, el transport de C per convecció també afecta l'oferta de C durant el creixement.Per fer créixer cristalls de SiC amb una qualitat de cristall prou bona i un gruix suficient, cal assegurar l'equilibri dels tres elements anteriors, cosa que augmenta considerablement la dificultat del creixement en fase líquida de SiC.Tanmateix, amb la millora gradual i la millora de les teories i tecnologies relacionades, els avantatges del creixement en fase líquida dels cristalls de SiC es mostraran gradualment.
Actualment, el creixement en fase líquida de cristalls de SiC de 2 polzades es pot aconseguir al Japó, i també s'està desenvolupant el creixement en fase líquida de cristalls de 4 polzades.Actualment, la investigació nacional rellevant no ha donat bons resultats, i cal fer un seguiment del treball de recerca pertinent.
Setè, Propietats físiques i químiques dels cristalls de SiC
(1) Propietats mecàniques: els cristalls de SiC tenen una duresa extremadament alta i una bona resistència al desgast.La seva duresa Mohs està entre 9,2 i 9,3, i la seva duresa Krit és d'entre 2900 i 3100Kg/mm2, que és la segona només després dels cristalls de diamant entre els materials que s'han descobert.A causa de les excel·lents propietats mecàniques del SiC, el SiC en pols s'utilitza sovint a la indústria de tall o mòlta, amb una demanda anual de fins a milions de tones.El recobriment resistent al desgast d'algunes peces de treball també utilitzarà un recobriment de SiC, per exemple, el recobriment resistent al desgast d'alguns vaixells de guerra es compon de recobriment de SiC.
(2) Propietats tèrmiques: la conductivitat tèrmica del SiC pot arribar a 3-5 W/cm·K, que és 3 vegades la del Si semiconductor tradicional i 8 vegades la del GaAs.La producció de calor del dispositiu preparat per SiC es pot eliminar ràpidament, de manera que els requisits de les condicions de dissipació de calor del dispositiu SiC són relativament fluixos i és més adequat per a la preparació de dispositius d'alta potència.SiC té propietats termodinàmiques estables.En condicions de pressió normals, el SiC es descompondrà directament en vapor que conté Si i C a més.
(3) Propietats químiques: SiC té propietats químiques estables, bona resistència a la corrosió i no reacciona amb cap àcid conegut a temperatura ambient.El SiC col·locat a l'aire durant molt de temps formarà lentament una capa fina de SiO2 dens, evitant noves reaccions d'oxidació.Quan la temperatura augmenta a més de 1700 ℃, la capa fina de SiO2 es fon i s'oxida ràpidament.El SiC pot experimentar una lenta reacció d'oxidació amb oxidants o bases fosos, i les hòsties de SiC solen corroir-se en KOH i Na2O2 fosos per caracteritzar la dislocació en cristalls de SiC..
(4) Propietats elèctriques: SiC com a material representatiu dels semiconductors de banda ampla, les amplades de banda intermitent 6H-SiC i 4H-SiC són de 3,0 eV i 3,2 eV respectivament, que és 3 vegades la de Si i 2 vegades la de GaAs.Els dispositius semiconductors fets de SiC tenen un corrent de fuga més petit i un camp elèctric de ruptura més gran, de manera que el SiC es considera un material ideal per a dispositius d'alta potència.La mobilitat d'electrons saturats del SiC també és 2 vegades superior a la del Si, i també té avantatges evidents en la preparació de dispositius d'alta freqüència.Els cristalls de SiC de tipus P o els cristalls de SiC de tipus N es poden obtenir dopant els àtoms d'impuresa dels cristalls.Actualment, els cristalls de SiC de tipus P estan dopats principalment per Al, B, Be, O, Ga, Sc i altres àtoms, i els cristalls de sic de tipus N estan dopats principalment per àtoms de N.La diferència de concentració i tipus de dopatge tindrà un gran impacte en les propietats físiques i químiques del SiC.Al mateix temps, el portador lliure es pot clavar mitjançant el dopatge de nivell profund com V, es pot augmentar la resistivitat i es pot obtenir el cristall de SiC semiaïllant.
(5) Propietats òptiques: a causa de la bretxa de banda relativament àmplia, el cristall de SiC no dopat és incolor i transparent.Els cristalls de SiC dopats mostren diferents colors a causa de les seves diferents propietats, per exemple, 6H-SiC és verd després de dopar N;4H-SiC és marró.15R-SiC és groc.Dopat amb Al, el 4H-SiC sembla blau.És un mètode intuïtiu per distingir el tipus de cristall de SiC observant la diferència de color.Amb la recerca contínua en camps relacionats amb SiC en els darrers 20 anys, s'han fet grans avenços en tecnologies relacionades.
Vuitè,Introducció de l'estat de desenvolupament de SiC
Actualment, la indústria de SiC s'ha tornat cada cop més perfecta, des de hòsties de substrat, hòsties epitaxials fins a la producció de dispositius, l'embalatge, tota la cadena industrial ha madurat i pot subministrar productes relacionats amb SiC al mercat.
Cree és líder en la indústria del creixement de cristalls de SiC amb una posició líder tant en mida com en qualitat de les hòsties de substrat de SiC.Cree produeix actualment 300.000 xips de substrat de SiC a l'any, que representen més del 80% dels enviaments globals.
El setembre de 2019, Cree va anunciar que construirà una nova instal·lació a l'estat de Nova York, EUA, que utilitzarà la tecnologia més avançada per fer créixer l'energia de 200 mm de diàmetre i hòsties de substrat de RF SiC, cosa que indica que la seva tecnologia de preparació de material de substrat de 200 mm de SiC té fer-se més madur.
Actualment, els productes principals de xips de substrat de SiC al mercat són principalment tipus conductors i semi-aïllats 4H-SiC i 6H-SiC de 2-6 polzades.
L'octubre de 2015, Cree va ser el primer a llançar hòsties de substrat SiC de 200 mm per a tipus N i LED, marcant l'inici de les hòsties de substrat SiC de 8 polzades al mercat.
El 2016, Romm va començar a patrocinar l'equip Venturi i va ser el primer a utilitzar la combinació IGBT + SiC SBD al cotxe per substituir la solució IGBT + Si FRD en l'inversor tradicional de 200 kW.Després de la millora, el pes de l'inversor es redueix en 2 kg i la mida es redueix un 19% mantenint la mateixa potència.
El 2017, després de l'adopció de SiC MOS + SiC SBD, no només es redueix el pes en 6 kg, la mida es redueix un 43% i la potència del inversor també augmenta de 200 kW a 220 kW.
Després que Tesla adoptés dispositius basats en SIC als inversors d'accionament principals dels seus productes Model 3 el 2018, l'efecte de demostració es va amplificar ràpidament, convertint el mercat d'automoció xEV aviat una font d'emoció per al mercat de SiC.Amb l'aplicació reeixida de SiC, el seu valor de producció de mercat relacionat també ha augmentat ràpidament.
Novè,Conclusió:
Amb la millora contínua de les tecnologies de la indústria relacionades amb SiC, el seu rendiment i fiabilitat es milloraran encara més, el preu dels dispositius SiC també es reduirà i la competitivitat del mercat de SiC serà més evident.En el futur, els dispositius SiC s'utilitzaran més àmpliament en diversos camps com ara automòbils, comunicacions, xarxes elèctriques i transports, i el mercat de productes serà més ampli i la mida del mercat s'ampliarà encara més, convertint-se en un suport important per al sector nacional. economia.
Hora de publicació: 25-gen-2024