Навіны - Структура і тэхналогія росту карбіду крэмнія (Ⅱ)

па-чацвёртае, Метад фізічнага пераносу пары

Метад фізічнага транспарту пароў (PVT) узнік з тэхналогіі сублімацыі паравой фазы, вынайдзенай Lely ў 1955 г. Парашок SiC змяшчаецца ў графітавай трубцы і награваецца да высокай тэмпературы для раскладання і сублімацыі парашка SiC, а затым графітавай трубкі астуджаецца. Пасля раскладання парашка SiC кампаненты паравой фазы адкладаюцца і крышталізуюцца ў крышталі SiC вакол графітавай трубкі. Нягледзячы на тое, што гэтым метадам цяжка атрымаць монакрышталі SiC вялікага памеру, а працэс нанясення ў графітавай трубцы цяжка кантраляваць, ён дае ідэі для наступных даследчыкаў.
Юм Тэраіраў і інш. у Расіі на гэтай аснове ўвялі канцэпцыю затравачных крышталяў і вырашылі праблему некантралюемай формы крышталя і становішча зараджэння зародкаў крышталяў SiC. Наступныя даследчыкі працягвалі ўдасканальваць і ў канчатковым выніку распрацавалі метад фізічнага транспарту газавай фазы (PVT), які выкарыстоўваецца сёння ў прамысловасці.

Як самы ранні метад вырошчвання крышталяў SiC, метад фізічнага пераносу пары з'яўляецца найбольш распаўсюджаным метадам вырошчвання крышталяў SiC. У параўнанні з іншымі метадамі гэты метад мае нізкія патрабаванні да абсталявання для вырошчвання, просты працэс вырошчвання, моцную кіравальнасць, дбайную распрацоўку і даследаванне, а таксама мае прамысловае прымяненне. Структура крышталя, вырашчанага сучасным метадам PVT, паказана на малюнку.

Восевым і радыяльным тэмпературнымі палямі можна кіраваць, кантралюючы ўмовы знешняй цеплаізаляцыі графітавага тыгля. Парашок SiC змяшчаецца на дно графітавага тыгля з больш высокай тэмпературай, а затравкавы крышталь SiC фіксуецца ў верхняй частцы графітавага тыгля з больш нізкай тэмпературай. Адлегласць паміж парашком і затравкай звычайна кантралюецца ў дзесяткі міліметраў, каб пазбегнуць кантакту паміж расце монакрышталем і парашком. Тэмпературны градыент звычайна знаходзіцца ў дыяпазоне 15-35 ℃/см. Для павышэння канвекцыі ў печы захоўваецца інэртны газ 50-5000 Па. Такім чынам, пасля таго, як парашок SiC нагрэецца да 2000-2500 ℃ з дапамогай індукцыйнага нагрэву, парашок SiC будзе сублімаваць і раскладацца на Si, Si2C, SiC2 і іншыя парападобныя кампаненты, і транспартавацца да затравальнага канца з дапамогай канвекцыі газу, і Крышталь SiC крышталізуецца на затравальным крышталі для дасягнення росту адзінкавага крышталя. Тыповая хуткасць яго росту складае 0,1-2 мм/ч.

Працэс PVT сканцэнтраваны на кантролі тэмпературы росту, тэмпературнага градыенту, паверхні росту, адлегласці паміж паверхнямі матэрыялу і ціску росту, яго перавага ў тым, што яго працэс адносна спелы, сыравіну лёгка вырабляць, кошт нізкі, але працэс росту Метад PVT цяжка назіраць, хуткасць росту крышталяў 0,2-0,4 мм/г, цяжка вырасціць крышталі вялікай таўшчыні (>50 мм). Пасля дзесяцігоддзяў бесперапынных намаганняў сучасны рынак пласцін з падкладкі SiC, вырашчаных метадам PVT, быў вельмі велізарным, і гадавы аб'ём вытворчасці пласцін з падкладкай SiC можа дасягаць сотняў тысяч пласцін, а іх памер паступова змяняецца з 4 цаляў да 6 цаляў. , і распрацавала 8-цалевыя ўзоры падкладкі SiC.

па-пятае,Высокотэмпературны метад хімічнага асаджэння з паравай фазы

Высокатэмпературнае хімічнае асаджэнне з паравой фазы (HTCVD) - гэта ўдасканалены метад, заснаваны на хімічным асаджэнні з паравай фазы (CVD). Метад быў упершыню прапанаваны ў 1995 г. Кордзінай і інш., Універсітэт Лінчэпінга, Швецыя.
Схема структуры росту прадстаўлена на малюнку:

па-пятае,Высокотэмпературны метад хімічнага асаджэння з паравай фазы

Калі крышталь SiC вырошчваецца вадкафазным метадам, тэмпература і размеркаванне канвекцыі ўнутры дапаможнага раствора паказаны на малюнку:

Відаць, што тэмпература каля сценкі тыгля ў дапаможным растворы вышэй, а тэмпература ў затравочного крышталя ніжэй. У працэсе росту графітавы тыгель забяспечвае крыніцу C для росту крышталяў. Паколькі тэмпература на сценцы тыгля высокая, растваральнасць C вялікая, а хуткасць растварэння высокая, вялікая колькасць C будзе растварацца на сценцы тыгля з адукацыяй насычанага раствора C. Гэтыя растворы з вялікай колькасцю раствораны C будзе транспартавацца ў ніжнюю частку затравочных крышталяў шляхам канвекцыі ўнутры дапаможнага раствора. З-за нізкай тэмпературы канца затравальнага крышталя растваральнасць адпаведнага С памяншаецца адпаведна, і зыходны раствор, насычаны С, становіцца перанасычаным растворам С пасля пераносу ў канец з нізкай тэмпературай пры гэтых умовах. Супранасычаны C у растворы ў спалучэнні з Si у дапаможным растворы можа вырасціць крышталь SiC эпітаксіяльна на затравальным крышталі. Калі суперфараваная частка C выпадае ў асадак, раствор вяртаецца да высокатэмпературнага канца сценкі тыгля з дапамогай канвекцыі і зноў растварае C з адукацыяй насычанага раствора.

Увесь працэс паўтараецца, і крышталь SiC расце. У працэсе росту вадкай фазы растварэнне і выпадзенне C у растворы з'яўляецца вельмі важным паказчыкам прагрэсу росту. Каб забяспечыць стабільны рост крышталяў, неабходна падтрымліваць баланс паміж растварэннем С на сценцы тыгля і выпадзеннем у канцы затравкі. Калі растварэнне C большае, чым выпадзенне C, то C у крышталі паступова ўзбагачаецца, і адбудзецца самаадвольнае зараджэнне SiC. Калі растварэнне C меншае, чым выпадзенне C, рост крышталяў будзе цяжка правесці з-за адсутнасці растворанага рэчыва.
У той жа час перанос C шляхам канвекцыі таксама ўплывае на паступленне C падчас росту. Каб вырасціць крышталі SiC дастаткова добрай якасці і дастатковай таўшчыні, неабходна забяспечыць баланс трох вышэйпералічаных элементаў, што значна ўскладняе рост вадкай фазы SiC. Аднак з паступовым удасканаленнем і ўдасканаленнем адпаведных тэорый і тэхналогій паступова будуць выяўляцца перавагі росту крышталяў SiC у вадкай фазе.
У цяперашні час вадкасфазны рост 2-цалевых крышталяў SiC можа быць дасягнуты ў Японіі, а таксама распрацоўваецца вадкасфазны рост 4-цалевых крышталяў. У цяперашні час адпаведныя айчынныя даследаванні не далі добрых вынікаў, і неабходна працягнуць адпаведную даследчую працу.

па-сёмае, Фізічныя і хімічныя ўласцівасці крышталяў SiC

(1) Механічныя ўласцівасці: крышталі SiC маюць надзвычай высокую цвёрдасць і добрую зносаўстойлівасць. Яго цвёрдасць па шкале Мооса складае ад 9,2 да 9,3, а цвёрдасць па Крыту - ад 2900 да 3100 кг/мм2, што саступае толькі крышталям алмаза сярод знойдзеных матэрыялаў. Дзякуючы выдатным механічным уласцівасцям SiC парашок SiC часта выкарыстоўваецца ў рэзцы або шліфавальнай прамысловасці, з гадавым попытам да мільёнаў тон. Зносаўстойлівае пакрыццё на некаторых дэталях таксама будзе выкарыстоўваць пакрыццё SiC, напрыклад, зносаўстойлівае пакрыццё на некаторых ваенных караблях складаецца з пакрыцця SiC.

(2) Цеплавыя ўласцівасці: цеплаправоднасць SiC можа дасягаць 3-5 Вт/см·К, што ў 3 разы больш, чым у традыцыйнага паўправадніка Si, і ў 8 разоў больш, чым у GaAs. Выпрацоўка цяпла прылады, падрыхтаванай SiC, можа быць хутка адведзена, таму патрабаванні да ўмоў рассейвання цяпла прылады SiC адносна свабодныя, і яна больш падыходзіць для падрыхтоўкі прылад высокай магутнасці. SiC валодае стабільнымі тэрмадынамічнымі ўласцівасцямі. Пры нармальных умовах ціску SiC будзе непасрэдна раскладацца на пары, якія змяшчаюць Si і C пры больш высокіх.

(3) Хімічныя ўласцівасці: SiC мае стабільныя хімічныя ўласцівасці, добрую ўстойлівасць да карозіі і не рэагуе ні з адной вядомай кіслатой пры пакаёвай тэмпературы. SiC, які знаходзіцца на паветры на працягу доўгага часу, будзе павольна ўтвараць тонкі пласт шчыльнага SiO2, прадухіляючы далейшыя рэакцыі акіслення. Калі тэмпература падымаецца да больш чым 1700 ℃, тонкі пласт SiO2 плавіцца і хутка акісляецца. SiC можа падвяргацца павольнай рэакцыі акіслення з расплаўленымі акісляльнікамі або асновамі, а пласціны SiC звычайна падвяргаюцца карозіі ў расплаўленых KOH і Na2O2, каб ахарактарызаваць дыслакацыю ў крышталях SiC.

(4) Электрычныя ўласцівасці: SiC як рэпрэзентатыўны матэрыял для шыроказонных паўправаднікоў, шырыня забароненай зоны 6H-SiC і 4H-SiC складае 3,0 эВ і 3,2 эВ адпаведна, што ў 3 разы больш, чым у Si, і ў 2 разы больш, чым у GaAs. Паўправадніковыя прылады з SiC маюць меншы ток уцечкі і большае электрычнае поле прабоя, таму SiC лічыцца ідэальным матэрыялам для магутных прылад. Рухомасць насычаных электронаў SiC таксама ў 2 разы вышэй, чым у Si, і ён таксама мае відавочныя перавагі пры падрыхтоўцы высокачашчынных прылад. Крышталі SiC P-тыпу або крышталі SiC N-тыпу можна атрымаць шляхам легіравання прымешкавых атамаў у крышталях. У цяперашні час крышталі SiC P-тыпу ў асноўным легіраваны атамамі Al, B, Be, O, Ga, Sc і іншымі, а крышталі sic N-тыпу ў асноўным легіраваны атамамі N. Розніца ў канцэнтрацыі і тыпе допінгу будзе мець вялікі ўплыў на фізічныя і хімічныя ўласцівасці SiC. У той жа час свабодны носьбіт можа быць прыбіты глыбокім легіраваннем, такім як V, удзельнае супраціўленне можа быць павялічана, і можа быць атрыманы полуизолирующий крышталь SiC.

(5) Аптычныя ўласцівасці: з-за адносна шырокай забароненай зоны недапаваны крышталь SiC бясколерны і празрысты. Легаваныя крышталі SiC маюць розныя колеры з-за іх розных уласцівасцей, напрыклад, 6H-SiC зялёны пасля легіравання N; 4H-SiC карычневы. 15R-SiC жоўты. Легаваны Al, 4H-SiC выглядае сінім. Гэта інтуітыўна зразумелы метад адрозніць тып крышталя SiC, назіраючы за розніцай у колеры. Дзякуючы бесперапынным даследаванням звязаных з SiC абласцей за апошнія 20 гадоў, былі зроблены вялікія прарывы ў сумежных тэхналогіях.

па-восьмае,Увядзенне статусу распрацоўкі SiC

У цяперашні час індустрыя SiC становіцца ўсё больш дасканалай, пачынаючы ад пласцін падкладкі, эпітаксіяльных пласцін і заканчваючы вытворчасцю прылад, упакоўкай, увесь прамысловы ланцужок саспеў і можа пастаўляць на рынак тавары, звязаныя з SiC.

Cree з'яўляецца лідэрам у індустрыі вырошчвання крышталяў SiC з лідзіруючай пазіцыяй як па памеры, так і па якасці пласцін з падкладкай SiC. У цяперашні час Cree вырабляе 300 000 мікрасхем падкладкі SiC у год, што складае больш за 80% сусветных паставак.

У верасні 2019 г. кампанія Cree абвясціла аб будаўніцтве новай вытворчасці ў штаце Нью-Ёрк, ЗША, якая будзе выкарыстоўваць самую перадавую тэхналогію для вырошчвання 200-мм дыяметрам сілавых і радыёчастотных пласцін SiC-падкладкі, што паказвае на тое, што яе тэхналогія падрыхтоўкі матэрыялу для падкладкі 200 мм стаць больш сталым.

У цяперашні час асноўнымі прадуктамі з падкладкі SiC на рынку з'яўляюцца ў асноўным 4H-SiC і 6H-SiC правадзячыя і паўізаляваныя тыпы 2-6 цаляў.
У кастрычніку 2015 года кампанія Cree першай выпусціла 200-міліметровыя пласціны з падкладкай SiC для N-тыпу і святлодыёдаў, што паклала пачатак выхаду на рынак 8-цалевых пласцін з падкладкай SiC.
У 2016 годзе Romm пачаў спансаваць каманду Venturi і быў першым, хто выкарыстаў камбінацыю IGBT + SiC SBD у аўтамабілі, каб замяніць рашэнне IGBT + Si FRD у традыцыйным інвертары магутнасцю 200 кВт. Пасля ўдасканалення вага інвертара памяншаецца на 2 кг, а памер - на 19% пры захаванні той жа магутнасці.

У 2017 годзе пасля далейшага прыняцця SiC MOS + SiC SBD не толькі вага зменшыўся на 6 кг, але і памер на 43%, а магутнасць інвертара таксама павялічана з 200 кВт да 220 кВт.
Пасля таго, як у 2018 годзе кампанія Tesla прыняла прылады на аснове SIC у асноўныя прывадныя інвертары сваёй прадукцыі Model 3, дэманстрацыйны эфект хутка ўзмацніўся, у выніку чаго аўтамабільны рынак xEV неўзабаве стаў крыніцай ажыятажу для рынку SiC. З паспяховым прымяненнем SiC яго рынкавы аб'ём вытворчасці таксама хутка вырас.

дзевятае,Выснова:

Дзякуючы бесперапыннаму ўдасканаленню галіновых тэхналогій, звязаных з SiC, яго ўраджайнасць і надзейнасць будуць яшчэ больш павышаны, цана прылад з SiC таксама будзе зніжана, а канкурэнтаздольнасць SiC на рынку стане больш відавочнай. У будучыні прылады SiC будуць больш шырока выкарыстоўвацца ў розных галінах, такіх як аўтамабілі, камунікацыі, электрасеткі і транспарт, а рынак прадукцыі будзе шырэй, а памер рынку будзе яшчэ больш пашырацца, становячыся важнай апорай для нацыянальнай гаспадарка.

Час публікацыі: 25 студзеня 2024 г

Структура і тэхналогія росту карбіду крэмнію (Ⅱ)