В-четвертых, Метод физического паропереноса
Метод физического переноса паров (PVT) возник из технологии сублимации паровой фазы, изобретенной Lely в 1955 году. Порошок SiC помещается в графитовую трубку и нагревается до высокой температуры для разложения и сублимации порошка SiC, а затем графитовая трубка охлаждается. После разложения порошка SiC компоненты паровой фазы осаждаются и кристаллизуются в кристаллы SiC вокруг графитовой трубки. Хотя этим методом сложно получить монокристаллы SiC большого размера, а процесс осаждения в графитовой трубке трудно контролировать, он дает идеи для последующих исследователей.
Ым Тераиров и др. в России ввели на этой основе концепцию затравочных кристаллов и решили проблему неконтролируемой кристаллической формы и положения зародышеобразования кристаллов SiC. Последующие исследователи продолжали совершенствовать и в конечном итоге разработали метод физического переноса газовой фазы (PVT), который сегодня используется в промышленности.
Как самый ранний метод выращивания кристаллов SiC, метод физического переноса паров является наиболее распространенным методом выращивания кристаллов SiC. По сравнению с другими методами, метод имеет низкие требования к оборудованию для выращивания, простой процесс выращивания, высокую управляемость, тщательные разработки и исследования, а также нашел промышленное применение. Структура кристалла, выращенного современным PVT-методом, показана на рисунке.
Осевыми и радиальными температурными полями можно управлять, контролируя условия внешней теплоизоляции графитового тигля. Порошок SiC помещается на дно графитового тигля с более высокой температурой, а затравочный кристалл SiC закрепляется наверху графитового тигля с более низкой температурой. Расстояние между порошком и затравкой обычно устанавливают на уровне десятков миллиметров, чтобы избежать контакта растущего монокристалла с порошком. Градиент температуры обычно находится в диапазоне 15-35℃/см. В печи поддерживается инертный газ давлением 50-5000 Па для усиления конвекции. Таким образом, после того, как порошок SiC нагревается до 2000-2500 ℃ с помощью индукционного нагрева, порошок SiC сублимируется и разлагается на Si, Si2C, SiC2 и другие паровые компоненты и транспортируется к затравочному концу с помощью газовой конвекции, и Кристалл SiC кристаллизуется на затравочном кристалле для достижения роста монокристалла. Его типичная скорость роста составляет 0,1-2 мм/ч.
Процесс PVT фокусируется на контроле температуры роста, градиента температуры, поверхности роста, расстояния между поверхностями материала и давления роста. Его преимущество заключается в том, что его процесс является относительно зрелым, сырье легко производить, стоимость низкая, но процесс роста Метод PVT сложен в соблюдении, скорость роста кристаллов 0,2-0,4 мм/ч, сложно вырастить кристаллы большой толщины (>50 мм). После десятилетий непрерывных усилий текущий рынок пластин с подложками SiC, выращенных методом PVT, стал очень огромным, а годовой объем производства пластин с подложками SiC может достигать сотен тысяч пластин, а их размер постепенно меняется с 4 дюймов до 6 дюймов. и разработала 8-дюймовые образцы подложек SiC.
В-пятых,Метод высокотемпературного химического осаждения из паровой фазы
Высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы (HTCVD) — это усовершенствованный метод, основанный на химическом осаждении из паровой фазы (CVD). Этот метод был впервые предложен в 1995 году Кординой и др., Университет Линчепинг, Швеция.
Схема структуры роста представлена на рисунке:
Осевыми и радиальными температурными полями можно управлять, контролируя условия внешней теплоизоляции графитового тигля. Порошок SiC помещается на дно графитового тигля с более высокой температурой, а затравочный кристалл SiC закрепляется наверху графитового тигля с более низкой температурой. Расстояние между порошком и затравкой обычно устанавливают на уровне десятков миллиметров, чтобы избежать контакта растущего монокристалла с порошком. Градиент температуры обычно находится в диапазоне 15-35℃/см. В печи поддерживается инертный газ давлением 50-5000 Па для усиления конвекции. Таким образом, после того, как порошок SiC нагревается до 2000-2500 ℃ с помощью индукционного нагрева, порошок SiC сублимируется и разлагается на Si, Si2C, SiC2 и другие паровые компоненты и транспортируется к затравочному концу с помощью газовой конвекции, и Кристалл SiC кристаллизуется на затравочном кристалле для достижения роста монокристалла. Его типичная скорость роста составляет 0,1-2 мм/ч.
Процесс PVT фокусируется на контроле температуры роста, градиента температуры, поверхности роста, расстояния между поверхностями материала и давления роста. Его преимущество заключается в том, что его процесс является относительно зрелым, сырье легко производить, стоимость низкая, но процесс роста Метод PVT сложен в соблюдении, скорость роста кристаллов 0,2-0,4 мм/ч, сложно вырастить кристаллы большой толщины (>50 мм). После десятилетий непрерывных усилий текущий рынок пластин с подложками SiC, выращенных методом PVT, стал очень огромным, а годовой объем производства пластин с подложками SiC может достигать сотен тысяч пластин, а их размер постепенно меняется с 4 дюймов до 6 дюймов. и разработала 8-дюймовые образцы подложек SiC.
В-пятых,Метод высокотемпературного химического осаждения из паровой фазы
Высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы (HTCVD) — это усовершенствованный метод, основанный на химическом осаждении из паровой фазы (CVD). Этот метод был впервые предложен в 1995 году Кординой и др., Университет Линчепинг, Швеция.
Схема структуры роста представлена на рисунке:
При выращивании кристалла SiC жидкофазным методом распределение температуры и конвекции внутри вспомогательного раствора показано на рисунке:
Видно, что температура у стенки тигля во вспомогательном растворе выше, а температура у затравочного кристалла ниже. В процессе роста графитовый тигель является источником углерода для роста кристаллов. Поскольку температура у стенок тигля высокая, растворимость C велика, а скорость растворения высокая, большое количество C будет растворяться у стенок тигля с образованием насыщенного раствора C. Эти растворы с большим количеством растворенного углерода будет перенесено в нижнюю часть затравочных кристаллов за счет конвекции внутри вспомогательного раствора. Из-за низкой температуры конца затравочного кристалла растворимость соответствующего C соответственно снижается, и исходный насыщенный C раствор становится пересыщенным раствором C после переноса на низкотемпературный конец в этих условиях. Супранасыщенный C в растворе в сочетании с Si во вспомогательном растворе позволяет вырастить эпитаксиальный кристалл SiC на затравочном кристалле. Когда сверхфорированная часть C выпадает в осадок, раствор возвращается к высокотемпературному концу стенки тигля с конвекцией и снова растворяет C с образованием насыщенного раствора.
Весь процесс повторяется, и кристалл SiC растет. В процессе роста жидкой фазы растворение и осаждение углерода в растворе является очень важным показателем прогресса роста. Чтобы обеспечить стабильный рост кристаллов, необходимо поддерживать баланс между растворением С на стенке тигля и осаждением на затравочном конце. Если растворение C превышает выделение C, то C в кристалле постепенно обогащается и происходит спонтанное зарождение SiC. Если растворение C меньше, чем осаждение C, рост кристаллов будет затруднен из-за отсутствия растворенного вещества.
В то же время транспорт углерода конвекцией также влияет на поступление углерода во время роста. Чтобы вырастить кристаллы SiC с достаточно хорошим качеством кристаллов и достаточной толщиной, необходимо обеспечить баланс трех вышеуказанных элементов, что значительно увеличивает сложность выращивания SiC в жидкой фазе. Однако по мере постепенного совершенствования и совершенствования соответствующих теорий и технологий постепенно будут проявляться преимущества жидкофазного выращивания кристаллов SiC.
В настоящее время в Японии можно осуществить выращивание 2-дюймовых кристаллов SiC из жидкой фазы, а также разрабатывается метод выращивания 4-дюймовых кристаллов из жидкой фазы. В настоящее время соответствующие отечественные исследования не дали хороших результатов, и необходимо продолжить соответствующую исследовательскую работу.
Седьмой, Физико-химические свойства кристаллов SiC
(1) Механические свойства: кристаллы SiC обладают чрезвычайно высокой твердостью и хорошей износостойкостью. Его твердость по шкале Мооса составляет от 9,2 до 9,3, а твердость по криту — от 2900 до 3100 кг/мм2, что уступает только кристаллам алмаза среди обнаруженных материалов. Благодаря превосходным механическим свойствам SiC, порошок SiC часто используется в режущей или шлифовальной промышленности, годовая потребность которого составляет до миллионов тонн. В износостойком покрытии некоторых заготовок также используется покрытие SiC. например, износостойкое покрытие на некоторых военных кораблях состоит из покрытия SiC.
(2) Тепловые свойства: теплопроводность SiC может достигать 3-5 Вт/см·К, что в 3 раза выше, чем у традиционного полупроводника Si и в 8 раз выше, чем у GaAs. Выделение тепла устройством, изготовленным из SiC, может быть быстро отведено, поэтому требования к условиям отвода тепла для устройства SiC относительно мягкие, и оно больше подходит для изготовления устройств высокой мощности. SiC имеет стабильные термодинамические свойства. В условиях нормального давления SiC будет непосредственно разлагаться на пар, содержащий Si и C, при более высоких температурах..
(3) Химические свойства: SiC обладает стабильными химическими свойствами, хорошей коррозионной стойкостью и не реагирует ни с одной известной кислотой при комнатной температуре. SiC, помещенный на воздух в течение длительного времени, медленно образует тонкий слой плотного SiO2, предотвращая дальнейшие реакции окисления. Когда температура поднимается выше 1700 ℃, тонкий слой SiO2 плавится и быстро окисляется. SiC может подвергаться медленной реакции окисления с расплавленными окислителями или основаниями, а пластины SiC обычно подвергаются коррозии в расплавленных КОН и Na2O2, чтобы охарактеризовать дислокацию в кристаллах SiC..
(4) Электрические свойства: SiC как типичный материал полупроводников с широкой запрещенной зоной, ширина запрещенной зоны 6H-SiC и 4H-SiC составляет 3,0 эВ и 3,2 эВ соответственно, что в 3 раза больше, чем у Si и в 2 раза больше, чем у GaAs. Полупроводниковые устройства из SiC имеют меньший ток утечки и большее электрическое поле пробоя, поэтому SiC считается идеальным материалом для мощных устройств. Подвижность насыщенных электронов у SiC также в 2 раза выше, чем у Si, и он также имеет очевидные преимущества при изготовлении высокочастотных устройств. Кристаллы SiC P-типа или кристаллы SiC N-типа можно получить легированием атомов примеси в кристаллах. В настоящее время кристаллы SiC P-типа в основном легированы атомами Al, B, Be, O, Ga, Sc и другими, а кристаллы SiC N-типа - преимущественно атомами N. Разница в концентрации и типе легирования будет иметь большое влияние на физические и химические свойства SiC. В то же время свободный носитель можно закрепить за счет легирования глубокого уровня, такого как V, можно увеличить удельное сопротивление и получить полуизолирующий кристалл SiC.
(5) Оптические свойства: из-за относительно широкой запрещенной зоны нелегированный кристалл SiC бесцветен и прозрачен. Легированные кристаллы SiC имеют разные цвета из-за разных свойств, например, 6H-SiC становится зеленым после легирования азотом; 4H-SiC имеет коричневый цвет. 15R-SiC имеет желтый цвет. Легированный Al 4H-SiC выглядит синим. Это интуитивный метод определения типа кристалла SiC по разнице в цвете. Благодаря непрерывным исследованиям в областях, связанных с карбидом кремния, за последние 20 лет были достигнуты большие прорывы в смежных технологиях.
Восьмой,Представление статуса разработки SiC
В настоящее время индустрия SiC становится все более совершенной: от подложек, эпитаксиальных пластин до производства устройств, упаковки, вся производственная цепочка созрела, и она может поставлять на рынок продукцию, связанную с SiC.
Cree является лидером в отрасли выращивания кристаллов SiC, занимая лидирующие позиции как по размеру, так и по качеству подложек SiC. В настоящее время Cree производит 300 000 чипов SiC-подложек в год, что составляет более 80% мировых поставок.
В сентябре 2019 года Cree объявила, что построит новый завод в штате Нью-Йорк, США, который будет использовать самые передовые технологии для выращивания силовых и радиочастотных подложек SiC диаметром 200 мм, что указывает на то, что ее технология подготовки материала подложки SiC диаметром 200 мм стать более зрелым.
В настоящее время основной продукцией чипов-подложек SiC на рынке являются в основном проводящие и полуизолированные чипы 4H-SiC и 6H-SiC размером 2–6 дюймов.
В октябре 2015 года Cree первой выпустила 200-миллиметровые пластины с подложкой SiC для N-типа и светодиодов, что положило начало выходу на рынок 8-дюймовых пластин с подложкой SiC.
В 2016 году Ромм начал спонсировать команду Venturi и первым использовал в автомобиле комбинацию IGBT + SiC SBD для замены решения IGBT + Si FRD в традиционном инверторе мощностью 200 кВт. После усовершенствования вес инвертора снижается на 2 кг, а размеры уменьшаются на 19% при сохранении той же мощности.
В 2017 году, после дальнейшего внедрения SiC MOS + SiC SBD, не только вес снижается на 6 кг, размер уменьшается на 43%, а также увеличивается мощность инвертора с 200 кВт до 220 кВт.
После того, как в 2018 году Tesla внедрила устройства на базе SIC в инверторы главного привода своих продуктов Model 3, демонстрационный эффект быстро усилился, что вскоре сделало автомобильный рынок xEV источником ажиотажа для рынка SiC. Благодаря успешному применению карбида кремния его рыночная стоимость также быстро выросла.
Девятое,Заключение:
Благодаря постоянному совершенствованию отраслевых технологий, связанных с SiC, его производительность и надежность будут еще больше улучшаться, цена устройств SiC также будет снижена, а рыночная конкурентоспособность SiC станет более очевидной. В будущем устройства SiC будут более широко использоваться в различных областях, таких как автомобили, связь, электрические сети и транспорт, а рынок продукции будет шире, а размер рынка будет еще больше расширяться, становясь важной поддержкой для национального экономика.
Время публикации: 25 января 2024 г.