Fjerde, Fysisk dampoverføringsmetode
Fysisk damptransport (PVT)-metoden stammer fra dampfase-sublimeringsteknologien oppfunnet av Lely i 1955. SiC-pulveret plasseres i et grafittrør og varmes opp til høy temperatur for å dekomponere og sublimere SiC-pulveret, og deretter avkjøles grafittrøret.Etter dekomponeringen av SiC-pulveret, avsettes dampfasekomponentene og krystalliseres til SiC-krystaller rundt grafittrøret.Selv om denne metoden er vanskelig å oppnå store SiC enkeltkrystaller, og avsetningsprosessen i grafittrøret er vanskelig å kontrollere, gir den ideer for påfølgende forskere.
Ym Terairov et al.i Russland introduserte konseptet med frøkrystaller på dette grunnlaget, og løste problemet med ukontrollerbar krystallform og nukleasjonsposisjon til SiC-krystaller.Senere forskere fortsatte å forbedre og utviklet til slutt metoden for fysisk gassfasetransport (PVT) i industriell bruk i dag.
Som den tidligste SiC-krystallvekstmetoden er fysisk dampoverføringsmetode den mest vanlige vekstmetoden for SiC-krystallvekst.Sammenlignet med andre metoder har metoden lave krav til vekstutstyr, enkel vekstprosess, sterk kontrollerbarhet, grundig utvikling og forskning, og har realisert industriell anvendelse.Strukturen til krystall dyrket ved den nåværende mainstream PVT-metoden er vist i figuren.
De aksiale og radielle temperaturfeltene kan kontrolleres ved å kontrollere de eksterne termiske isolasjonsforholdene til grafittdigelen.SiC-pulveret plasseres i bunnen av grafittdigelen med høyere temperatur, og SiC-frøkrystallen festes på toppen av grafittdigelen med lavere temperatur.Avstanden mellom pulveret og frøet er generelt kontrollert til å være titalls millimeter for å unngå kontakt mellom den voksende enkeltkrystallen og pulveret.Temperaturgradienten er vanligvis i området 15-35 ℃/cm.En inert gass på 50-5000 Pa holdes i ovnen for å øke konveksjonen.På denne måten, etter at SiC-pulveret er oppvarmet til 2000-2500 ℃ ved induksjonsoppvarming, vil SiC-pulveret sublimere og dekomponeres til Si, Si2C, SiC2 og andre dampkomponenter, og transporteres til frøenden med gasskonveksjon, og SiC-krystall krystalliseres på frøkrystallen for å oppnå enkeltkrystallvekst.Dens typiske veksthastighet er 0,1-2 mm/t.
PVT-prosessen fokuserer på kontroll av veksttemperatur, temperaturgradient, vekstoverflate, materialoverflateavstand og veksttrykk, fordelen er at prosessen er relativt moden, råvarer er enkle å produsere, kostnadene er lave, men vekstprosessen av PVT-metoden er vanskelig å observere, krystallveksthastighet på 0,2-0,4mm/t, det er vanskelig å dyrke krystaller med stor tykkelse (>50mm).Etter tiår med kontinuerlig innsats har det nåværende markedet for SiC-substratwafere dyrket med PVT-metoden vært veldig stort, og den årlige produksjonen av SiC-substratwafere kan nå hundretusenvis av wafere, og størrelsen endres gradvis fra 4 tommer til 6 tommer. , og har utviklet 8 tommer SiC-substratprøver.
Femte,Kjemisk dampavsetningsmetode ved høy temperatur
High Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) er en forbedret metode basert på Chemical Vapor Deposition (CVD).Metoden ble først foreslått i 1995 av Korina et al., Linköpings universitet, Sverige.
Vekststrukturdiagrammet er vist i figuren:
De aksiale og radielle temperaturfeltene kan kontrolleres ved å kontrollere de eksterne termiske isolasjonsforholdene til grafittdigelen.SiC-pulveret plasseres i bunnen av grafittdigelen med høyere temperatur, og SiC-frøkrystallen festes på toppen av grafittdigelen med lavere temperatur.Avstanden mellom pulveret og frøet er generelt kontrollert til å være titalls millimeter for å unngå kontakt mellom den voksende enkeltkrystallen og pulveret.Temperaturgradienten er vanligvis i området 15-35 ℃/cm.En inert gass på 50-5000 Pa holdes i ovnen for å øke konveksjonen.På denne måten, etter at SiC-pulveret er oppvarmet til 2000-2500 ℃ ved induksjonsoppvarming, vil SiC-pulveret sublimere og dekomponeres til Si, Si2C, SiC2 og andre dampkomponenter, og transporteres til frøenden med gasskonveksjon, og SiC-krystall krystalliseres på frøkrystallen for å oppnå enkeltkrystallvekst.Dens typiske veksthastighet er 0,1-2 mm/t.
PVT-prosessen fokuserer på kontroll av veksttemperatur, temperaturgradient, vekstoverflate, materialoverflateavstand og veksttrykk, fordelen er at prosessen er relativt moden, råvarer er enkle å produsere, kostnadene er lave, men vekstprosessen av PVT-metoden er vanskelig å observere, krystallveksthastighet på 0,2-0,4mm/t, det er vanskelig å dyrke krystaller med stor tykkelse (>50mm).Etter tiår med kontinuerlig innsats har det nåværende markedet for SiC-substratwafere dyrket med PVT-metoden vært veldig stort, og den årlige produksjonen av SiC-substratwafere kan nå hundretusenvis av wafere, og størrelsen endres gradvis fra 4 tommer til 6 tommer. , og har utviklet 8 tommer SiC-substratprøver.
Femte,Kjemisk dampavsetningsmetode ved høy temperatur
High Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) er en forbedret metode basert på Chemical Vapor Deposition (CVD).Metoden ble først foreslått i 1995 av Korina et al., Linköpings universitet, Sverige.
Vekststrukturdiagrammet er vist i figuren:
Når SiC-krystallen dyrkes ved væskefasemetoden, vises temperatur- og konveksjonsfordelingen inne i hjelpeløsningen i figuren:
Det kan sees at temperaturen nær digelveggen i hjelpeløsningen er høyere, mens temperaturen ved frøkrystallen er lavere.Under vekstprosessen gir grafittdigelen C-kilde for krystallvekst.Fordi temperaturen ved digelveggen er høy, løseligheten av C er stor, og oppløsningshastigheten er rask, vil en stor mengde C løses opp ved digelveggen for å danne en mettet løsning av C. Disse løsningene med stor mengde av C oppløst vil bli transportert til den nedre delen av frøkrystallene ved konveksjon i hjelpeløsningen.På grunn av den lave temperaturen til kimkrystallenden avtar løseligheten til den tilsvarende C tilsvarende, og den opprinnelige C-mettede løsningen blir en overmettet løsning av C etter å ha blitt overført til lavtemperaturenden under denne betingelsen.Overmettet C i løsning kombinert med Si i hjelpeløsning kan vokse SiC-krystall epitaksial på frøkrystall.Når den superforerte delen av C feller ut, går løsningen tilbake til høytemperaturenden av digelveggen med konveksjon, og løser opp C igjen for å danne en mettet løsning.
Hele prosessen gjentas, og SiC-krystallen vokser.I prosessen med væskefasevekst er oppløsning og utfelling av C i løsning en svært viktig indeks for vekstfremgang.For å sikre stabil krystallvekst er det nødvendig å opprettholde en balanse mellom oppløsningen av C ved smeltedigelveggen og nedbøren i frøenden.Hvis oppløsningen av C er større enn utfellingen av C, blir C i krystallen gradvis anriket, og spontan kjernedannelse av SiC vil oppstå.Hvis oppløsningen av C er mindre enn utfellingen av C, vil krystallveksten være vanskelig å gjennomføre på grunn av mangel på oppløst stoff.
Samtidig påvirker transporten av C ved konveksjon også tilførselen av C under vekst.For å dyrke SiC-krystaller med god nok krystallkvalitet og tilstrekkelig tykkelse, er det nødvendig å sikre balansen mellom de tre ovennevnte elementene, noe som i stor grad øker vanskeligheten med SiC-væskefasevekst.Men med den gradvise forbedringen og forbedringen av relaterte teorier og teknologier, vil fordelene med flytende fasevekst av SiC-krystaller gradvis vise seg.
For tiden kan væskefaseveksten av 2-tommers SiC-krystaller oppnås i Japan, og væskefaseveksten til 4-tommers krystaller er også under utvikling.Den aktuelle innenlandske forskningen har foreløpig ikke sett gode resultater, og det er nødvendig å følge opp det aktuelle forskningsarbeidet.
Syvende, Fysiske og kjemiske egenskaper til SiC-krystaller
(1) Mekaniske egenskaper: SiC-krystaller har ekstremt høy hardhet og god slitestyrke.Mohs-hardheten er mellom 9,2 og 9,3, og Krit-hardheten er mellom 2900 og 3100 kg/mm2, som er nest etter diamantkrystaller blant materialer som har blitt oppdaget.På grunn av de utmerkede mekaniske egenskapene til SiC, brukes pulver SiC ofte i skjære- eller slipeindustrien, med en årlig etterspørsel på opptil millioner av tonn.Det slitesterke belegget på enkelte arbeidsstykker vil også bruke SiC-belegg, for eksempel er det slitasjebestandige belegget på noen krigsskip sammensatt av SiC-belegg.
(2) Termiske egenskaper: termisk ledningsevne til SiC kan nå 3-5 W/cm·K, som er 3 ganger den for tradisjonell halvleder Si og 8 ganger den for GaAs.Varmeproduksjonen til enheten tilberedt av SiC kan raskt ledes bort, så kravene til varmeavledningsforholdene til SiC-enheten er relativt løse, og den er mer egnet for fremstilling av høyeffektsenheter.SiC har stabile termodynamiske egenskaper.Under normale trykkforhold vil SiC bli direkte dekomponert til damp som inneholder Si og C ved høyere.
(3) Kjemiske egenskaper: SiC har stabile kjemiske egenskaper, god korrosjonsbestandighet, og reagerer ikke med noen kjent syre ved romtemperatur.SiC plassert i luften i lang tid vil sakte danne et tynt lag med tett SiO2, og forhindre ytterligere oksidasjonsreaksjoner.Når temperaturen stiger til mer enn 1700 ℃, smelter det tynne SiO2-laget og oksiderer raskt.SiC kan gjennomgå en langsom oksidasjonsreaksjon med smeltede oksidanter eller baser, og SiC-skiver er vanligvis korrodert i smeltet KOH og Na2O2 for å karakterisere dislokasjonen i SiC-krystaller.
(4) Elektriske egenskaper: SiC som et representativt materiale for halvledere med brede båndgap, 6H-SiC og 4H-SiC båndgapbredder er henholdsvis 3,0 eV og 3,2 eV, som er 3 ganger det for Si og 2 ganger det for GaAs.Halvlederenheter laget av SiC har mindre lekkasjestrøm og større elektrisk nedbrytningsfelt, så SiC anses som et ideelt materiale for enheter med høy effekt.Den mettede elektronmobiliteten til SiC er også 2 ganger høyere enn for Si, og den har også åpenbare fordeler ved fremstilling av høyfrekvente enheter.P-type SiC-krystaller eller N-type SiC-krystaller kan oppnås ved å dope urenhetsatomene i krystallene.For tiden er P-type SiC-krystaller hovedsakelig dopet av Al, B, Be, O, Ga, Sc og andre atomer, og N-type sic-krystaller er hovedsakelig dopet av N-atomer.Forskjellen i dopingkonsentrasjon og type vil ha stor innvirkning på de fysiske og kjemiske egenskapene til SiC.Samtidig kan den frie bæreren spikret ved dypnivådoping som V, resistiviteten kan økes, og den halvisolerende SiC-krystallen kan oppnås.
(5) Optiske egenskaper: På grunn av det relativt brede båndgapet er den udopede SiC-krystallen fargeløs og gjennomsiktig.De dopede SiC-krystallene viser forskjellige farger på grunn av deres forskjellige egenskaper, for eksempel er 6H-SiC grønn etter doping av N;4H-SiC er brun.15R-SiC er gul.Dopet med Al fremstår 4H-SiC som blått.Det er en intuitiv metode for å skille SiC-krystalltype ved å observere fargeforskjellen.Med kontinuerlig forskning på SiC-relaterte felt de siste 20 årene, har det blitt gjort store gjennombrudd innen relaterte teknologier.
Åttende,Innføring av SiC utviklingsstatus
For tiden har SiC-industrien blitt stadig mer perfekt, fra substratwafere, epitaksiale wafere til enhetsproduksjon, emballasje, hele industrikjeden har modnet, og den kan levere SiC-relaterte produkter til markedet.
Cree er ledende innen SiC-krystallvekstindustrien med en ledende posisjon innen både størrelse og kvalitet på SiC-substratskiver.Cree produserer for tiden 300 000 SiC-substratbrikker per år, og står for mer enn 80 % av globale forsendelser.
I september 2019 kunngjorde Cree at de vil bygge et nytt anlegg i delstaten New York, USA, som vil bruke den mest avanserte teknologien for å dyrke kraft- og RF SiC-substratskiver med en diameter på 200 mm, noe som indikerer at teknologien for forberedelse av 200 mm SiC-substratmateriale har bli mer moden.
For tiden er hovedproduktene av SiC-substratbrikker på markedet hovedsakelig 4H-SiC og 6H-SiC ledende og halvisolerte typer på 2-6 tommer.
I oktober 2015 var Cree den første som lanserte 200 mm SiC-substratskiver for N-type og LED, og markerte begynnelsen på 8-tommers SiC-substratskiver til markedet.
I 2016 begynte Romm å sponse Venturi-teamet og var den første som brukte IGBT + SiC SBD-kombinasjonen i bilen for å erstatte IGBT + Si FRD-løsningen i den tradisjonelle 200 kW-omformeren.Etter forbedringen reduseres vekselretterens vekt med 2 kg og størrelsen reduseres med 19 % samtidig som den samme effekten opprettholdes.
I 2017, etter den videre bruken av SiC MOS + SiC SBD, reduseres ikke bare vekten med 6 kg, størrelsen reduseres med 43 %, og invertereffekten økes også fra 200 kW til 220 kW.
Etter at Tesla tok i bruk SIC-baserte enheter i hovedfrekvensomformerne til sine Model 3-produkter i 2018, ble demonstrasjonseffekten raskt forsterket, noe som gjorde xEV-bilmarkedet snart til en kilde til spenning for SiC-markedet.Med den vellykkede bruken av SiC har dens relaterte markedsproduksjonsverdi også økt raskt.
Niende,Konklusjon:
Med den kontinuerlige forbedringen av SiC-relaterte industriteknologier, vil dets utbytte og pålitelighet bli ytterligere forbedret, prisen på SiC-enheter vil også bli redusert, og markedskonkurranseevnen til SiC vil være mer åpenbar.I fremtiden vil SiC-enheter bli mer utbredt innen forskjellige felt som biler, kommunikasjon, strømnett og transport, og produktmarkedet vil bli bredere, og markedsstørrelsen vil bli ytterligere utvidet, og bli en viktig støtte for det nasjonale økonomi.
Innleggstid: Jan-25-2024