Struktur og vækstteknologi af siliciumcarbid (Ⅱ)

Fjerde, Fysisk dampoverførselsmetode

Fysisk damptransport (PVT)-metoden stammer fra dampfase-sublimeringsteknologien opfundet af Lely i 1955. SiC-pulveret anbringes i et grafitrør og opvarmes til høj temperatur for at nedbryde og sublimere SiC-pulveret, og derefter afkøles grafitrøret. Efter nedbrydningen af ​​SiC-pulveret aflejres dampfasekomponenterne og krystalliseres til SiC-krystaller omkring grafitrøret. Selvom denne metode er vanskelig at opnå store SiC-enkeltkrystaller, og aflejringsprocessen i grafitrøret er svær at kontrollere, giver den ideer til efterfølgende forskere.
Ym Terairov et al. i Rusland introducerede begrebet frøkrystaller på dette grundlag og løste problemet med ukontrollerbar krystalform og nukleationsposition for SiC-krystaller. Efterfølgende forskere fortsatte med at forbedre og udviklede til sidst metoden med fysisk gasfasetransport (PVT) i industriel brug i dag.

Som den tidligste SiC-krystalvækstmetode er den fysiske dampoverførselsmetode den mest almindelige vækstmetode til SiC-krystalvækst. Sammenlignet med andre metoder har metoden lave krav til vækstudstyr, enkel vækstproces, stærk kontrollerbarhed, grundig udvikling og forskning og har realiseret industriel anvendelse. Strukturen af ​​krystal dyrket ved den nuværende mainstream PVT-metode er vist i figuren.

De aksiale og radiale temperaturfelter kan styres ved at kontrollere grafitdigelens eksterne termiske isoleringsbetingelser. SiC-pulveret placeres i bunden af ​​grafitdigelen med en højere temperatur, og SiC-podekrystallen fikseres i toppen af ​​grafitdigelen med en lavere temperatur. Afstanden mellem pulveret og frøet styres generelt til at være titusinder af millimeter for at undgå kontakt mellem den voksende enkeltkrystal og pulveret. Temperaturgradienten er normalt i området 15-35 ℃/cm. En inert gas på 50-5000 Pa holdes i ovnen for at øge konvektionen. På denne måde, efter at SiC-pulveret er opvarmet til 2000-2500 ℃ ved induktionsopvarmning, vil SiC-pulveret sublimere og nedbrydes til Si, Si2C, SiC2 og andre dampkomponenter og blive transporteret til frøenden med gaskonvektion, og SiC-krystal krystalliseres på podekrystallen for at opnå enkeltkrystalvækst. Dens typiske væksthastighed er 0,1-2 mm/t.

PVT-processen fokuserer på styring af væksttemperatur, temperaturgradient, vækstoverflade, materialeoverfladeafstand og væksttryk, dens fordel er, at dens proces er relativt moden, råmaterialer er nemme at producere, omkostningerne er lave, men vækstprocessen af PVT-metoden er svær at observere, krystalvæksthastighed på 0,2-0,4mm/h, det er vanskeligt at dyrke krystaller med stor tykkelse (>50mm). Efter årtiers kontinuerlige indsats har det nuværende marked for SiC-substratwafere dyrket ved PVT-metoden været meget stort, og den årlige produktion af SiC-substratwafere kan nå op på hundredtusindvis af wafere, og størrelsen ændrer sig gradvist fra 4 tommer til 6 tommer , og har udviklet 8 tommer SiC-substratprøver.

 

For det femte,Højtemperatur kemisk dampaflejringsmetode

 

High Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) er en forbedret metode baseret på Chemical Vapor Deposition (CVD). Metoden blev første gang foreslået i 1995 af Korina et al., Linköpings Universitet, Sverige.
Vækststrukturdiagrammet er vist i figuren:

De aksiale og radiale temperaturfelter kan styres ved at kontrollere grafitdigelens eksterne termiske isoleringsbetingelser. SiC-pulveret placeres i bunden af ​​grafitdigelen med en højere temperatur, og SiC-podekrystallen fikseres i toppen af ​​grafitdigelen med en lavere temperatur. Afstanden mellem pulveret og frøet styres generelt til at være titusinder af millimeter for at undgå kontakt mellem den voksende enkeltkrystal og pulveret. Temperaturgradienten er normalt i området 15-35 ℃/cm. En inert gas på 50-5000 Pa holdes i ovnen for at øge konvektionen. På denne måde, efter at SiC-pulveret er opvarmet til 2000-2500 ℃ ved induktionsopvarmning, vil SiC-pulveret sublimere og nedbrydes til Si, Si2C, SiC2 og andre dampkomponenter og blive transporteret til frøenden med gaskonvektion, og SiC-krystal krystalliseres på podekrystallen for at opnå enkeltkrystalvækst. Dens typiske væksthastighed er 0,1-2 mm/t.

PVT-processen fokuserer på styring af væksttemperatur, temperaturgradient, vækstoverflade, materialeoverfladeafstand og væksttryk, dens fordel er, at dens proces er relativt moden, råmaterialer er nemme at producere, omkostningerne er lave, men vækstprocessen af PVT-metoden er svær at observere, krystalvæksthastighed på 0,2-0,4mm/h, det er vanskeligt at dyrke krystaller med stor tykkelse (>50mm). Efter årtiers kontinuerlige indsats har det nuværende marked for SiC-substratwafere dyrket ved PVT-metoden været meget stort, og den årlige produktion af SiC-substratwafere kan nå op på hundredtusindvis af wafere, og størrelsen ændrer sig gradvist fra 4 tommer til 6 tommer , og har udviklet 8 tommer SiC-substratprøver.

 

For det femte,Højtemperatur kemisk dampaflejringsmetode

 

High Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) er en forbedret metode baseret på Chemical Vapor Deposition (CVD). Metoden blev første gang foreslået i 1995 af Korina et al., Linköpings Universitet, Sverige.
Vækststrukturdiagrammet er vist i figuren:

Når SiC-krystallen dyrkes ved væskefasemetoden, er temperaturen og konvektionsfordelingen inde i hjælpeopløsningen vist på figuren:

Det kan ses, at temperaturen nær digelvæggen i hjælpeopløsningen er højere, mens temperaturen ved podekrystallen er lavere. Under vækstprocessen giver grafitdigelen C-kilde til krystalvækst. Fordi temperaturen ved digelvæggen er høj, opløseligheden af ​​C er stor, og opløsningshastigheden er hurtig, vil en stor mængde C blive opløst ved digelvæggen for at danne en mættet opløsning af C. Disse opløsninger med en stor mængde af C opløst vil blive transporteret til den nederste del af frøkrystallerne ved konvektion i hjælpeopløsningen. På grund af podekrystalendens lave temperatur falder opløseligheden af ​​det tilsvarende C tilsvarende, og den oprindelige C-mættede opløsning bliver en overmættet opløsning af C efter at være blevet overført til lavtemperaturenden under denne betingelse. Overmættet C i opløsning kombineret med Si i hjælpeopløsning kan vokse SiC-krystal epitaksielt på frøkrystal. Når den superforerede del af C præcipiterer ud, vender opløsningen tilbage til den høje temperaturende af digelvæggen med konvektion og opløser C igen for at danne en mættet opløsning.

Hele processen gentages, og SiC-krystallen vokser. I processen med væskefasevækst er opløsningen og udfældningen af ​​C i opløsning et meget vigtigt indeks for vækstfremskridt. For at sikre stabil krystalvækst er det nødvendigt at opretholde en balance mellem opløsningen af ​​C ved digelvæggen og nedbøren i frøenden. Hvis opløsningen af ​​C er større end udfældningen af ​​C, bliver C'et i krystallen gradvist beriget, og spontan kernedannelse af SiC vil forekomme. Hvis opløsningen af ​​C er mindre end udfældningen af ​​C, vil krystalvæksten være svær at gennemføre på grund af manglen på opløst stof.
Samtidig påvirker transporten af ​​C ved konvektion også tilførslen af ​​C under væksten. For at dyrke SiC-krystaller med god nok krystalkvalitet og tilstrækkelig tykkelse, er det nødvendigt at sikre balancen mellem de ovennævnte tre elementer, hvilket i høj grad øger vanskeligheden ved SiC-væskefasevækst. Men med den gradvise forbedring og forbedring af relaterede teorier og teknologier vil fordelene ved væskefasevækst af SiC-krystaller gradvist vise sig.
På nuværende tidspunkt kan væskefasevæksten af ​​2-tommer SiC-krystaller opnås i Japan, og væskefasevæksten af ​​4-tommers krystaller er også under udvikling. På nuværende tidspunkt har den relevante hjemlige forskning ikke set gode resultater, og det er nødvendigt at følge op på det relevante forskningsarbejde.

 

Syvende, Fysiske og kemiske egenskaber af SiC-krystaller

 

(1) Mekaniske egenskaber: SiC-krystaller har ekstrem høj hårdhed og god slidstyrke. Dens Mohs-hårdhed er mellem 9,2 og 9,3, og dens Krit-hårdhed er mellem 2900 og 3100 kg/mm2, hvilket er næst efter diamantkrystaller blandt materialer, der er blevet opdaget. På grund af SiC's fremragende mekaniske egenskaber bruges SiC i pulverform ofte i skære- eller slibeindustrien med en årlig efterspørgsel på op til millioner af tons. Den slidbestandige belægning på nogle emner vil også bruge SiC-belægning, for eksempel er den slidbestandige belægning på nogle krigsskibe sammensat af SiC-belægning.

(2) Termiske egenskaber: termisk ledningsevne af SiC kan nå 3-5 W/cm·K, hvilket er 3 gange så meget som traditionelt halvleder Si og 8 gange GaAs. Varmeproduktionen af ​​enheden, der er fremstillet af SiC, kan hurtigt ledes væk, så kravene til varmeafledningsbetingelserne for SiC-anordningen er relativt løse, og den er mere egnet til fremstilling af højeffektsanordninger. SiC har stabile termodynamiske egenskaber. Under normale trykforhold vil SiC blive direkte nedbrudt til dampe indeholdende Si og C ved højere.

(3) Kemiske egenskaber: SiC har stabile kemiske egenskaber, god korrosionsbestandighed og reagerer ikke med nogen kendt syre ved stuetemperatur. SiC placeret i luften i lang tid vil langsomt danne et tyndt lag af tæt SiO2, hvilket forhindrer yderligere oxidationsreaktioner. Når temperaturen stiger til mere end 1700 ℃, smelter det tynde SiO2-lag og oxiderer hurtigt. SiC kan gennemgå en langsom oxidationsreaktion med smeltede oxidanter eller baser, og SiC-wafere er normalt korroderede i smeltet KOH og Na2O2 for at karakterisere dislokationen i SiC-krystaller.

(4) Elektriske egenskaber: SiC som et repræsentativt materiale af halvledere med bred båndgab, 6H-SiC og 4H-SiC båndgab bredder er henholdsvis 3,0 eV og 3,2 eV, hvilket er 3 gange så meget for Si og 2 gange så meget som for GaAs. Halvlederenheder lavet af SiC har mindre lækstrøm og større elektriske nedbrydningsfelter, så SiC anses for at være et ideelt materiale til højeffektenheder. Den mættede elektronmobilitet af SiC er også 2 gange højere end SiC, og den har også åbenlyse fordele ved fremstillingen af ​​højfrekvente enheder. P-type SiC-krystaller eller N-type SiC-krystaller kan opnås ved at dope urenhedsatomerne i krystallerne. På nuværende tidspunkt er P-type SiC-krystaller hovedsageligt dopet af Al, B, Be, O, Ga, Sc og andre atomer, og N-type sic-krystaller er hovedsageligt dopet af N-atomer. Forskellen i dopingkoncentration og type vil have stor indflydelse på SiCs fysiske og kemiske egenskaber. Samtidig kan den frie bærer sømmes ved dyb-niveau-doping såsom V, modstanden kan øges, og den semi-isolerende SiC-krystal kan opnås.

(5) Optiske egenskaber: På grund af det relativt brede båndgab er den udopede SiC-krystal farveløs og gennemsigtig. De dopede SiC-krystaller viser forskellige farver på grund af deres forskellige egenskaber, for eksempel er 6H-SiC grøn efter doping af N; 4H-SiC er brun. 15R-SiC er gul. Doteret med Al fremstår 4H-SiC blå. Det er en intuitiv metode til at skelne SiC-krystaltypen ved at observere farveforskellen. Med den kontinuerlige forskning på SiC-relaterede områder i de sidste 20 år er der sket store gennembrud inden for relaterede teknologier.

 

ottende,Introduktion af SiC udviklingsstatus

På nuværende tidspunkt er SiC-industrien blevet stadig mere perfekt, fra substratwafers, epitaksiale wafers til enhedsproduktion, emballering, hele industrikæden er modnet, og den kan levere SiC-relaterede produkter til markedet.

Cree er førende i SiC krystalvækstindustrien med en førende position inden for både størrelse og kvalitet af SiC substrat wafers. Cree producerer i øjeblikket 300.000 SiC-substratchips om året, hvilket tegner sig for mere end 80 % af de globale forsendelser.

I september 2019 annoncerede Cree, at de vil bygge en ny facilitet i New York State, USA, som vil bruge den mest avancerede teknologi til at dyrke 200 mm diameter power og RF SiC substrat wafers, hvilket indikerer, at dens 200 mm SiC substratmaterialeforberedelsesteknologi har blive mere moden.

På nuværende tidspunkt er de almindelige produkter af SiC-substratchips på markedet hovedsageligt 4H-SiC og 6H-SiC ledende og halvisolerede typer på 2-6 tommer.
I oktober 2015 var Cree den første til at lancere 200 mm SiC substrat wafers til N-type og LED, hvilket markerede begyndelsen på 8-tommer SiC substrat wafers på markedet.
I 2016 begyndte Romm at sponsorere Venturi-teamet og var den første til at bruge IGBT + SiC SBD-kombinationen i bilen til at erstatte IGBT + Si FRD-løsningen i den traditionelle 200 kW inverter. Efter forbedringen er vægten af ​​inverteren reduceret med 2 kg og størrelsen reduceret med 19%, mens den samme effekt bevares.

I 2017, efter den videre indførelse af SiC MOS + SiC SBD, er ikke kun vægten reduceret med 6 kg, størrelsen er reduceret med 43%, og invertereffekten øges også fra 200 kW til 220 kW.
Efter at Tesla adopterede SIC-baserede enheder i de primære frekvensomformere i deres Model 3-produkter i 2018, blev demonstrationseffekten hurtigt forstærket, hvilket gjorde xEV-bilmarkedet snart til en kilde til spænding for SiC-markedet. Med den vellykkede anvendelse af SiC er dens relaterede markedsoutputværdi også steget hurtigt.

Niende,Konklusion:

Med den løbende forbedring af SiC-relaterede industriteknologier vil dets udbytte og pålidelighed blive yderligere forbedret, prisen på SiC-enheder vil også blive reduceret, og SiC's konkurrenceevne på markedet vil være mere indlysende. I fremtiden vil SiC-enheder blive mere udbredt inden for forskellige områder såsom biler, kommunikation, elnet og transport, og produktmarkedet vil blive bredere, og markedsstørrelsen vil blive yderligere udvidet, hvilket bliver en vigtig støtte for det nationale økonomi.