Strukturo kaj kreskoteknologio de siliciokarbido (Ⅱ)

Kvare, Fizika vaportransigo metodo

Fizika vaportransporto (PVT) metodo originis de la vaporfaza sublimadteknologio inventita fare de Lely en 1955. La SiC-pulvoro estas metita en grafittubon kaj varmigita al alta temperaturo por malkomponi kaj sublimigi la SiC-pulvoron, kaj tiam la grafittubo estas malvarmetigita. Post la putriĝo de la SiC-pulvoro, la vaporfazaj komponantoj estas deponitaj kaj kristaligitaj en SiC-kristalojn ĉirkaŭ la grafittubo. Kvankam ĉi tiu metodo estas malfacile akiri grandgrandajn SiC unukristalojn, kaj la demetprocezo en la grafittubo malfacilas kontroli, ĝi disponigas ideojn por postaj esploristoj.
Ym Terarov et al. en Rusio enkondukis la koncepton de semokristaloj sur tiu bazo, kaj solvis la problemon de neregebla kristala formo kaj nuklea pozicio de SiC-kristaloj. Postaj esploristoj daŭre pliboniĝis kaj poste evoluigis la fizikan gasfazan transporton (PVT) metodon en industria uzo hodiaŭ.

Kiel la plej frua SiC-kristala kreskmetodo, fizika vaportransiga metodo estas la plej ĉefa kreskmetodo por SiC-kristala kresko. Kompare kun aliaj metodoj, la metodo havas malaltajn postulojn por kreska ekipaĵo, simplan kreskoprocezon, fortan kontroleblecon, ĝisfundan disvolviĝon kaj esploradon, kaj realigis industrian aplikon. La strukturo de kristalo kreskigita per la nuna ĉefa PVT-metodo estas montrita en la figuro.

La aksaj kaj radialaj temperaturkampoj povas esti kontrolitaj per kontrolo de la eksteraj termoizolaj kondiĉoj de la grafita fandujo. La SiC-pulvoro estas metita ĉe la fundo de la grafita fandujo kun pli alta temperaturo, kaj la SiC-semokristalo estas fiksita ĉe la supro de la grafita krisolo kun pli malalta temperaturo. La distanco inter la pulvoro kaj la semo estas ĝenerale kontrolita por esti dekoj da milimetroj por eviti kontakton inter la kreskanta ununura kristalo kaj la pulvoro. La temperaturgradiento estas kutime en la intervalo de 15-35 ℃/cm. Inerta gaso de 50-5000 Pa estas konservita en la forno por pliigi konvekcion. Tiamaniere, post kiam la SiC-pulvoro estas varmigita al 2000-2500℃ per indukta hejtado, la SiC-pulvoro sublimiĝos kaj malkomponiĝos en Si, Si2C, SiC2 kaj aliajn vaporkomponentojn, kaj estos transportita al la sema fino kun gasa konvekcio, kaj la SiC-kristalo estas kristaligita sur la semkristalo por atingi ununuran kristalan kreskon. Ĝia tipa kreskorapideco estas 0,1-2 mm/h.

PVT-procezo temigas la kontrolon de kreskotemperaturo, temperaturgradiento, kreskosurfaco, materiala surfaca interspaco kaj kreskopremo, ĝia avantaĝo estas, ke ĝia procezo estas relative matura, krudaĵoj estas facile produkteblaj, la kosto estas malalta, sed la kreskoprocezo de PVT-metodo estas malfacile observi, kristala kreskorapideco de 0.2-0.4mm/h, estas malfacile kreskigi kristalojn kun granda dikeco (>50mm). Post jardekoj da kontinuaj klopodoj, la nuna merkato por SiC-substrataj oblatoj kreskigitaj per PVT-metodo estis tre grandega, kaj la jara produktado de SiC-substrataj oblatoj povas atingi centojn da miloj da oblatoj, kaj ĝia grandeco iom post iom ŝanĝas de 4 coloj al 6 coloj. , kaj evoluigis 8 colojn da SiC-substratoprovaĵoj.

 

Kvina,Metodo de deponado de kemia vaporo de alta temperaturo

 

High Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) estas plibonigita metodo bazita sur Chemical Vapor Deposition (CVD). La metodo unue estis proponita en 1995 fare de Kordina et al., Linkoping University, Svedio.
La kreskstruktura diagramo estas montrita en la figuro:

La aksaj kaj radialaj temperaturkampoj povas esti kontrolitaj per kontrolo de la eksteraj termoizolaj kondiĉoj de la grafita fandujo. La SiC-pulvoro estas metita ĉe la fundo de la grafita fandujo kun pli alta temperaturo, kaj la SiC-semokristalo estas fiksita ĉe la supro de la grafita krisolo kun pli malalta temperaturo. La distanco inter la pulvoro kaj la semo estas ĝenerale kontrolita por esti dekoj da milimetroj por eviti kontakton inter la kreskanta ununura kristalo kaj la pulvoro. La temperaturgradiento estas kutime en la intervalo de 15-35 ℃/cm. Inerta gaso de 50-5000 Pa estas konservita en la forno por pliigi konvekcion. Tiamaniere, post kiam la SiC-pulvoro estas varmigita al 2000-2500℃ per indukta hejtado, la SiC-pulvoro sublimiĝos kaj malkomponiĝos en Si, Si2C, SiC2 kaj aliajn vaporkomponentojn, kaj estos transportita al la sema fino kun gasa konvekcio, kaj la SiC-kristalo estas kristaligita sur la semkristalo por atingi ununuran kristalan kreskon. Ĝia tipa kreskorapideco estas 0,1-2 mm/h.

PVT-procezo temigas la kontrolon de kreskotemperaturo, temperaturgradiento, kreskosurfaco, materiala surfaca interspaco kaj kreskopremo, ĝia avantaĝo estas, ke ĝia procezo estas relative matura, krudaĵoj estas facile produkteblaj, la kosto estas malalta, sed la kreskoprocezo de PVT-metodo estas malfacile observi, kristala kreskorapideco de 0.2-0.4mm/h, estas malfacile kreskigi kristalojn kun granda dikeco (>50mm). Post jardekoj da kontinuaj klopodoj, la nuna merkato por SiC-substrataj oblatoj kreskigitaj per PVT-metodo estis tre grandega, kaj la jara produktado de SiC-substrataj oblatoj povas atingi centojn da miloj da oblatoj, kaj ĝia grandeco iom post iom ŝanĝas de 4 coloj al 6 coloj. , kaj evoluigis 8 colojn da SiC-substratoprovaĵoj.

 

Kvina,Metodo de deponado de kemia vaporo de alta temperaturo

 

High Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) estas plibonigita metodo bazita sur Chemical Vapor Deposition (CVD). La metodo unue estis proponita en 1995 fare de Kordina et al., Linkoping University, Svedio.
La kreskstruktura diagramo estas montrita en la figuro:

Kiam la SiC-kristalo estas kreskigita per likva faza metodo, la temperaturo kaj konvekcia distribuo ene de la helpsolvaĵo estas montritaj en la figuro:

Oni povas vidi, ke la temperaturo proksime de la krisolmuro en la helpsolvaĵo estas pli alta, dum la temperaturo ĉe la semkristalo estas pli malalta. Dum la kreskoprocezo, la grafita fandujo disponigas C-fonton por kristala kresko. Ĉar la temperaturo ĉe la krisolmuro estas alta, la solvebleco de C estas granda, kaj la dissolvrapideco estas rapida, granda kvanto de C estos solvita ĉe la krisolmuro por formi saturitan solvaĵon de C. Ĉi tiuj solvoj kun granda kvanto de C solvita estos transportita al la malsupra parto de la semokristaloj per konvekcio ene de la helpsolvaĵo. Pro la malalta temperaturo de la semkristala fino, la solvebleco de la responda C malpliiĝas ekvivalente, kaj la origina C-saturita solvaĵo iĝas supersaturita solvaĵo de C post estado transdonita al la malalta temperaturo sub ĉi tiu kondiĉo. Supratatura C en solvaĵo kombinita kun Si en helpsolvaĵo povas kreskigi SiC-kristalon epitaxial sur semkristalo. Kiam la superforigita parto de C precipitas eksteren, la solvo revenas al la alt-temperatura fino de la krisolmuro kun konvekcio, kaj solvas C denove por formi saturitan solvaĵon.

La tuta procezo ripetas, kaj la SiC-kristalo kreskas. En la procezo de likva faza kresko, la dissolvo kaj precipitaĵo de C en solvaĵo estas tre grava indico de kreskoprogreso. Por certigi stabilan kristalan kreskon, necesas konservi ekvilibron inter la dissolvo de C ĉe la krisolmuro kaj la precipitaĵo ĉe la sema fino. Se la dissolvo de C estas pli granda ol la precipitaĵo de C, tiam la C en la kristalo estas iom post iom riĉigita, kaj spontanea nukleado de SiC okazos. Se la dissolvo de C estas malpli ol la precipitaĵo de C, la kristala kresko estos malfacile efektivigebla pro la manko de soluto.
En la sama tempo, la transporto de C per konvekcio ankaŭ influas la provizon de C dum kresko. Por kreskigi SiC-kristalojn kun sufiĉe bona kristala kvalito kaj sufiĉa dikeco, necesas certigi la ekvilibron de la supraj tri elementoj, kio multe pliigas la malfacilecon de SiC-likva faza kresko. Tamen, kun la laŭpaŝa plibonigo kaj plibonigo de rilataj teorioj kaj teknologioj, la avantaĝoj de likva faza kresko de SiC-kristaloj iom post iom montros.
Nuntempe, la likva faza kresko de 2-colaj SiC-kristaloj povas esti atingita en Japanio, kaj la likva faza kresko de 4-colaj kristaloj ankaŭ estas disvolvita. Nuntempe la koncerna enlanda esploro ne vidis bonajn rezultojn, kaj necesas sekvi la koncernan esplorlaboron.

 

Sepa, Fizikaj kaj kemiaj trajtoj de SiC-kristaloj

 

(1) Mekanikaj propraĵoj: SiC-kristaloj havas ekstreme altan malmolecon kaj bonan eluziĝon. Ĝia Mohs-malmoleco estas inter 9.2 kaj 9.3, kaj ĝia Krit-malmoleco estas inter 2900 kaj 3100Kg/mm2, kio estas dua nur post diamantaj kristaloj inter materialoj kiuj estis malkovritaj. Pro la bonegaj mekanikaj propraĵoj de SiC, pulvoro SiC ofte estas uzata en la tranĉa aŭ muelanta industrio, kun ĉiujara postulo de ĝis milionoj da tunoj. La eluziĝo-rezista tegaĵo sur kelkaj laborpecoj ankaŭ uzos SiC-tegaĵon, ekzemple, la eluziĝorezista tegaĵo sur kelkaj batalŝipoj estas kunmetita de SiC-tegaĵo.

(2) Termikaj propraĵoj: termika kondukteco de SiC povas atingi 3-5 W/cm·K, kio estas 3 fojojn tiu de tradicia duonkonduktaĵo Si kaj 8 fojojn tiu de GaAs. La varmoproduktado de la aparato preparita de SiC povas esti rapide forkondukita, do la postuloj de la varmodissipaj kondiĉoj de la SiC-aparato estas relative malstreĉaj, kaj ĝi estas pli taŭga por la preparado de alt-potencaj aparatoj. SiC havas stabilajn termodinamikajn trajtojn. Sub normalaj premokondiĉoj, SiC estos rekte malkomponita en vaporon enhavanta Si kaj C ĉe pli alte.

(3) Kemiaj propraĵoj: SiC havas stabilajn kemiajn ecojn, bonan korodan reziston, kaj ne reagas kun iu konata acido ĉe ĉambra temperaturo. SiC metita en la aeron dum longa tempo malrapide formos maldikan tavolon de densa SiO2, malhelpante pliajn oksigenajn reagojn. Kiam la temperaturo altiĝas al pli ol 1700℃, la maldika tavolo de SiO2 degelas kaj oksidiĝas rapide. SiC povas sperti malrapidan oksigenadreagon kun fanditaj oksidantoj aŭ bazoj, kaj SiC-oblatoj estas kutime koroditaj en fandita KOH kaj Na2O2 por karakterizi la delokiĝon en SiC-kristaloj..

(4) Elektraj propraĵoj: SiC kiel reprezenta materialo de larĝa bendgap duonkonduktaĵoj, 6H-SiC kaj 4H-SiC bandgap larĝoj estas 3.0 eV kaj 3.2 eV respektive, kio estas 3 fojojn tiu de Si kaj 2 fojojn tiu de GaAs. Duonkonduktilaj aparatoj faritaj el SiC havas pli malgrandan elfluan fluon kaj pli grandan panean elektran kampon, do SiC estas konsiderata ideala materialo por alt-motoraj aparatoj. La saturita elektrona movebleco de SiC ankaŭ estas 2 fojojn pli alta ol tiu de Si, kaj ĝi ankaŭ havas evidentajn avantaĝojn en la preparado de altfrekvencaj aparatoj. P-tipaj SiC-kristaloj aŭ N-tipaj SiC-kristaloj povas esti akiritaj dopante la malpuraĵatomojn en la kristaloj. Nuntempe, P-tipaj SiC-kristaloj estas ĉefe dopitaj de Al, B, Be, O, Ga, Sc kaj aliaj atomoj, kaj N-tipaj sic-kristaloj estas ĉefe dopitaj de N-atomoj. La diferenco de dopa koncentriĝo kaj tipo havos grandan efikon al la fizikaj kaj kemiaj trajtoj de SiC. Samtempe, la libera portanto povas esti najlita per la profunda nivela dopado kiel V, la resistiveco povas esti pliigita, kaj la duon-izola SiC-kristalo povas esti akirita.

(5) Optikaj propraĵoj: Pro la relative larĝa benda breĉo, la nedopita SiC-kristalo estas senkolora kaj travidebla. La dopitaj SiC-kristaloj montras malsamajn kolorojn pro siaj malsamaj trajtoj, ekzemple, 6H-SiC estas verda post dopado de N; 4H-SiC estas bruna. 15R-SiC estas flava. Dopita kun Al, 4H-SiC prezentiĝas blua. Estas intuicia metodo distingi SiC-kristalspecon observante la diferencon de koloro. Kun la kontinua esplorado pri SiC-rilataj kampoj en la pasintaj 20 jaroj, grandaj sukcesoj estis faritaj en rilataj teknologioj.

 

Oka,Enkonduko de SiC-disvolva statuso

Nuntempe, la SiC-industrio fariĝis ĉiam pli perfekta, de substrataj oblatoj, epitaksiaj oblatoj ĝis aparatoproduktado, pakado, la tuta industria ĉeno maturiĝis, kaj ĝi povas provizi SiC-rilatajn produktojn al la merkato.

Cree estas gvidanto en la SiC kristala kresko industrio kun gvida pozicio en ambaŭ grandeco kaj kvalito de SiC substratoblatoj. Cree nuntempe produktas 300,000 SiC-substrajn blatojn jare, respondecante pri pli ol 80% de tutmondaj sendaĵoj.

En septembro 2019, Cree anoncis, ke ĝi konstruos novan instalaĵon en Novjork-Ŝtato, Usono, kiu uzos la plej altnivelan teknologion por kreskigi 200 mm diametran potencon kaj RF SiC-substrajn oblatojn, indikante, ke ĝia 200 mm SiC-substrato-materiala preparteknologio havas fariĝi pli matura.

Nuntempe, la ĉefaj produktoj de SiC-substrataj blatoj sur la merkato estas ĉefe 4H-SiC kaj 6H-SiC konduktaj kaj duon-izolaj specoj de 2-6 coloj.
En oktobro 2015, krioanoj estis la unua se temas pri lanĉi 200 mm SiC-substrajn oblatojn por N-speco kaj LED, markante la komencon de la 8-colaj SiC-substratoblatoj al la merkato.
En 2016, Romm komencis sponsori la Venturi-teamon kaj estis la unua se temas pri uzi la IGBT + SiC SBD-kombinaĵo en la aŭto por anstataŭigi la IGBT + Si FRD-solvon en la tradicia 200 kW invetilo. Post la plibonigo, la pezo de la invetilo estas reduktita je 2 kg kaj la grandeco estas reduktita je 19% konservante la saman potencon.

En 2017, post la plua adopto de SiC MOS + SiC SBD, ne nur la pezo estas reduktita je 6 kg, la grandeco estas reduktita je 43%, kaj la invetila potenco ankaŭ pliiĝas de 200 kW ĝis 220 kW.
Post kiam Tesla adoptis SIC-bazitajn aparatojn en la ĉefaj veturaj inversiloj de ĝiaj Model 3-produktoj en 2018, la pruva efiko estis rapide plifortigita, igante la aŭtomobilan merkaton xEV baldaŭ fonton de ekscito por la SiC-merkato. Kun la sukcesa apliko de SiC, ĝia rilata merkatprodukta valoro ankaŭ rapide altiĝis.

Naŭa,Konkludo:

Kun la kontinua plibonigo de SiC-rilataj industriaj teknologioj, ĝia rendimento kaj fidindeco estos plu plibonigitaj, la prezo de SiC-aparatoj ankaŭ estos reduktita, kaj la merkata konkurencivo de SiC estos pli evidenta. En la estonteco, SiC-aparatoj estos pli vaste uzataj en diversaj kampoj kiel aŭtoj, komunikadoj, elektraj retoj kaj transportado, kaj la produkta merkato estos pli larĝa, kaj la merkata grandeco plivastiĝos, fariĝante grava subteno por la nacia. ekonomio.