Структура и технология на растеж на силициев карбид (Ⅱ)

четвърто, Физически метод за пренос на парите

Методът за физически пренос на парите (PVT) произхожда от технологията за сублимация на парна фаза, изобретена от Lely през 1955 г. SiC прахът се поставя в графитна тръба и се нагрява до висока температура, за да се разложи и сублимира SiC прахът, след което графитната тръба се охлажда. След разлагането на праха SiC, компонентите на парната фаза се отлагат и кристализират в кристали SiC около графитната тръба. Въпреки че този метод е труден за получаване на монокристали SiC с големи размери и процесът на отлагане в графитната тръба е труден за контролиране, той предоставя идеи за следващите изследователи.
Ym Terairov и др. в Русия въвежда концепцията за зародишни кристали на тази основа и решава проблема с неконтролируемата кристална форма и позицията на зародиш на SiC кристалите. Следващите изследователи продължиха да подобряват и в крайна сметка разработиха метода за физически транспорт на газовата фаза (PVT) в промишлена употреба днес.

Като най-ранният метод за растеж на кристали SiC, методът за физически пренос на пари е най-масовият метод за растеж на кристали SiC. В сравнение с други методи, методът има ниски изисквания за оборудване за растеж, прост процес на растеж, силна контролируемост, задълбочено развитие и изследване и има реализирано индустриално приложение. Структурата на кристала, отгледан чрез текущия масов PVT метод, е показана на фигурата.

Аксиалните и радиалните температурни полета могат да се контролират чрез контролиране на външните условия на топлоизолация на графитния тигел. SiC прахът се поставя на дъното на графитния тигел с по-висока температура, а SiC зародишният кристал се фиксира в горната част на графитния тигел с по-ниска температура. Разстоянието между праха и семето обикновено се контролира да бъде десетки милиметри, за да се избегне контакт между растящия монокристал и праха. Температурният градиент обикновено е в диапазона 15-35 ℃/cm. В пещта се поддържа инертен газ от 50-5000 Ра, за да се увеличи конвекцията. По този начин, след като SiC прахът се нагрее до 2000-2500 ℃ чрез индукционно нагряване, SiC прахът ще сублимира и ще се разложи на Si, Si2C, SiC2 и други компоненти на пара и ще бъде транспортиран до края на семената с газова конвекция и Кристалът SiC кристализира върху зародишния кристал, за да се постигне растеж на единичен кристал. Типичната му скорост на растеж е 0,1-2 mm/h.

PVT процесът се фокусира върху контрола на температурата на растеж, температурния градиент, повърхността на растеж, разстоянието между повърхностите на материала и налягането на растежа, предимството му е, че процесът му е сравнително зрял, суровините са лесни за производство, цената е ниска, но процесът на растеж на PVT методът е труден за наблюдение, скорост на растеж на кристалите от 0,2-0,4 mm/h, трудно е да се отглеждат кристали с голяма дебелина (>50 mm). След десетилетия на непрекъснати усилия, настоящият пазар за SiC субстратни вафли, отгледани чрез PVT метод, е много огромен и годишното производство на SiC субстратни вафли може да достигне стотици хиляди вафли, а размерът им постепенно се променя от 4 инча на 6 инча , и е разработил 8 инча проби от SiC субстрат.

 

Пето,Метод на химическо отлагане на пари при висока температура

 

Високотемпературното химическо отлагане на пари (HTCVD) е подобрен метод, базиран на химическо отлагане на пари (CVD). Методът е предложен за първи път през 1995 г. от Kordina et al., Linkoping University, Швеция.
Диаграмата на структурата на растежа е показана на фигурата:

Аксиалните и радиалните температурни полета могат да се контролират чрез контролиране на външните условия на топлоизолация на графитния тигел. SiC прахът се поставя на дъното на графитния тигел с по-висока температура, а SiC зародишният кристал се фиксира в горната част на графитния тигел с по-ниска температура. Разстоянието между праха и семето обикновено се контролира да бъде десетки милиметри, за да се избегне контакт между растящия монокристал и праха. Температурният градиент обикновено е в диапазона 15-35 ℃/cm. В пещта се поддържа инертен газ от 50-5000 Ра, за да се увеличи конвекцията. По този начин, след като SiC прахът се нагрее до 2000-2500 ℃ чрез индукционно нагряване, SiC прахът ще сублимира и ще се разложи на Si, Si2C, SiC2 и други компоненти на пара и ще бъде транспортиран до края на семената с газова конвекция и Кристалът SiC кристализира върху зародишния кристал, за да се постигне растеж на единичен кристал. Типичната му скорост на растеж е 0,1-2 mm/h.

PVT процесът се фокусира върху контрола на температурата на растеж, температурния градиент, повърхността на растеж, разстоянието между повърхностите на материала и налягането на растежа, предимството му е, че процесът му е сравнително зрял, суровините са лесни за производство, цената е ниска, но процесът на растеж на PVT методът е труден за наблюдение, скорост на растеж на кристалите от 0,2-0,4 mm/h, трудно е да се отглеждат кристали с голяма дебелина (>50 mm). След десетилетия на непрекъснати усилия, настоящият пазар за SiC субстратни вафли, отгледани чрез PVT метод, е много огромен и годишното производство на SiC субстратни вафли може да достигне стотици хиляди вафли, а размерът им постепенно се променя от 4 инча на 6 инча , и е разработил 8 инча проби от SiC субстрат.

 

Пето,Метод на химическо отлагане на пари при висока температура

 

Високотемпературното химическо отлагане на пари (HTCVD) е подобрен метод, базиран на химическо отлагане на пари (CVD). Методът е предложен за първи път през 1995 г. от Kordina et al., Linkoping University, Швеция.
Диаграмата на структурата на растежа е показана на фигурата:

Когато кристалът SiC се отглежда чрез метод на течна фаза, разпределението на температурата и конвекцията вътре в спомагателния разтвор са показани на фигурата:

Може да се види, че температурата в близост до стената на тигела в спомагателния разтвор е по-висока, докато температурата при зародишния кристал е по-ниска. По време на процеса на растеж графитният тигел осигурява източник на C за растеж на кристали. Тъй като температурата на стената на тигела е висока, разтворимостта на C е голяма и скоростта на разтваряне е бърза, голямо количество C ще се разтвори на стената на тигела, за да се образува наситен разтвор на C. Тези разтвори с голямо количество от разтворения C ще бъде транспортиран до долната част на зародишните кристали чрез конвекция в спомагателния разтвор. Поради ниската температура на края на зародишния кристал, разтворимостта на съответния C намалява съответно и първоначалният наситен с C разтвор става свръхнаситен разтвор на C, след като бъде прехвърлен към края с ниска температура при това състояние. Свръхнаситеният C в разтвор, комбиниран със Si в спомагателен разтвор, може да развие SiC кристал епитаксиално върху зародишен кристал. Когато суперфорираната част от С се утаи, разтворът се връща към високотемпературния край на стената на тигела с конвекция и разтваря С отново, за да образува наситен разтвор.

Целият процес се повтаря и кристалът SiC расте. В процеса на растеж в течна фаза, разтварянето и утаяването на C в разтвора е много важен показател за напредъка на растежа. За да се осигури стабилен растеж на кристали, е необходимо да се поддържа баланс между разтварянето на С на стената на тигела и утаяването в края на зародиша. Ако разтварянето на С е по-голямо от утаяването на С, тогава С в кристала постепенно се обогатява и ще настъпи спонтанно зараждане на SiC. Ако разтварянето на C е по-малко от утаяването на C, растежът на кристалите ще бъде труден за извършване поради липсата на разтворено вещество.
В същото време преносът на C чрез конвекция също влияе на доставката на C по време на растежа. За да се отглеждат кристали SiC с достатъчно добро качество на кристалите и достатъчна дебелина, е необходимо да се осигури балансът на горните три елемента, което значително увеличава трудността на растежа на течната фаза на SiC. Въпреки това, с постепенното усъвършенстване и усъвършенстване на свързаните теории и технологии, предимствата на течнофазовия растеж на SiC кристали постепенно ще се покажат.
Понастоящем растежът в течна фаза на 2-инчови кристали SiC може да бъде постигнат в Япония и растежът в течна фаза на 4-инчови кристали също се разработва. Понастоящем съответните вътрешни изследвания не са показали добри резултати и е необходимо да се проследи съответната изследователска работа.

 

седмо, Физични и химични свойства на кристалите SiC

 

(1) Механични свойства: SiC кристалите имат изключително висока твърдост и добра устойчивост на износване. Неговата твърдост по Моос е между 9,2 и 9,3, а твърдостта му по Крит е между 2900 и 3100 Kg/mm2, което е на второ място след диамантените кристали сред откритите материали. Поради отличните механични свойства на SiC, прахообразният SiC често се използва в индустрията за рязане или смилане, с годишно търсене до милиони тонове. Устойчивото на износване покритие на някои детайли също ще използва SiC покритие, например, устойчивото на износване покритие на някои военни кораби е съставено от SiC покритие.

(2) Термични свойства: топлопроводимостта на SiC може да достигне 3-5 W/cm·K, което е 3 пъти повече от традиционния полупроводник Si и 8 пъти повече от GaAs. Производството на топлина от устройството, подготвено от SiC, може бързо да се отведе, така че изискванията за условията на разсейване на топлината на SiC устройството са относително свободни и е по-подходящо за подготовка на устройства с висока мощност. SiC има стабилни термодинамични свойства. При условия на нормално налягане, SiC ще се разложи директно на пари, съдържащи Si и C при по-високи нива.

(3) Химични свойства: SiC има стабилни химични свойства, добра устойчивост на корозия и не реагира с известна киселина при стайна температура. SiC, поставен във въздуха за дълго време, бавно ще образува тънък слой от плътен SiO2, предотвратявайки по-нататъшни окислителни реакции. Когато температурата се повиши до повече от 1700 ℃, тънкият слой SiO2 се топи и окислява бързо. SiC може да претърпи бавна реакция на окисление с разтопени окислители или основи, а пластините SiC обикновено се корозират в разтопен KOH и Na2O2, за да се характеризира дислокацията в кристалите SiC.

(4) Електрически свойства: SiC като представителен материал за широкозонни полупроводници, 6H-SiC и 4H-SiC ширините на забранената лента са съответно 3,0 eV и 3,2 eV, което е 3 пъти повече от Si и 2 пъти повече от GaAs. Полупроводниковите устройства, направени от SiC, имат по-малък ток на утечка и по-голямо пробивно електрическо поле, така че SiC се счита за идеален материал за устройства с висока мощност. Наситената електронна подвижност на SiC също е 2 пъти по-висока от тази на Si и също така има очевидни предимства при подготовката на високочестотни устройства. P-тип SiC кристали или N-тип SiC кристали могат да бъдат получени чрез допиране на примесните атоми в кристалите. Понастоящем кристалите SiC от P-тип са основно легирани с Al, B, Be, O, Ga, Sc и други атоми, а sic кристалите от N-тип са основно легирани с N атоми. Разликата в концентрацията и вида на допинга ще окаже голямо влияние върху физичните и химичните свойства на SiC. В същото време свободният носител може да бъде прикован чрез допиране на дълбоко ниво като V, съпротивлението може да се увеличи и може да се получи полуизолиращият SiC кристал.

(5) Оптични свойства: Поради относително широката забранена лента, нелегираният SiC кристал е безцветен и прозрачен. Легираните SiC кристали показват различни цветове поради различните им свойства, например 6H-SiC е зелен след допиране с N; 4H-SiC е кафяв. 15R-SiC е жълт. Легиран с Al, 4H-SiC изглежда син. Това е интуитивен метод за разграничаване на типа кристал SiC чрез наблюдение на разликата в цвета. С непрекъснатото изследване на области, свързани със SiC през последните 20 години, бяха направени големи пробиви в свързаните технологии.

 

осмо,Въвеждане на статута на развитие на SiC

В момента индустрията на SiC става все по-съвършена, от субстратни пластини, епитаксиални пластини до производство на устройства, опаковане, цялата промишлена верига е узряла и може да доставя продукти, свързани с SiC, на пазара.

Cree е лидер в индустрията за растеж на SiC кристали с водеща позиция както в размера, така и в качеството на пластините от SiC субстрат. В момента Cree произвежда 300 000 SiC субстратни чипа годишно, което представлява повече от 80% от глобалните доставки.

През септември 2019 г. Cree обяви, че ще построи ново съоръжение в щата Ню Йорк, САЩ, което ще използва най-модерната технология за отглеждане на 200 mm диаметър на мощни и RF SiC субстратни вафли, което показва, че неговата 200 mm SiC субстратна технология за подготовка на материала има станете по-зрели.

Понастоящем основните продукти на SiC субстратни чипове на пазара са главно 4H-SiC и 6H-SiC проводими и полуизолирани видове от 2-6 инча.
През октомври 2015 г. Cree беше първият, който пусна 200 mm SiC субстратни пластини за N-тип и LED, отбелязвайки началото на 8-инчовите SiC субстратни пластини на пазара.
През 2016 г. Romm започна да спонсорира отбора на Venturi и беше първият, който използва комбинацията IGBT + SiC SBD в автомобила, за да замени решението IGBT + Si FRD в традиционния 200 kW инвертор. След подобрението теглото на инвертора е намалено с 2 кг, а размерът е намален с 19% при запазване на същата мощност.

През 2017 г., след по-нататъшното приемане на SiC MOS + SiC SBD, не само теглото е намалено с 6 kg, размерът е намален с 43%, а мощността на инвертора също е увеличена от 200 kW на 220 kW.
След като Tesla прие базирани на SIC устройства в главните задвижващи инвертори на своите продукти Model 3 през 2018 г., демонстрационният ефект бързо се усили, превръщайки автомобилния пазар xEV скоро в източник на вълнение за пазара на SiC. С успешното прилагане на SiC, неговата свързана пазарна продукция също се е повишила бързо.

девето,Заключение:

С непрекъснатото усъвършенстване на индустриалните технологии, свързани с SiC, неговият добив и надеждност ще бъдат допълнително подобрени, цената на SiC устройствата също ще бъде намалена и пазарната конкурентоспособност на SiC ще бъде по-очевидна. В бъдеще SiC устройствата ще бъдат по-широко използвани в различни области като автомобили, комуникации, електрически мрежи и транспорт, а продуктовият пазар ще бъде по-широк и размерът на пазара ще бъде допълнително разширен, превръщайки се във важна подкрепа за националния икономика.