Piikarbidin rakenne ja kasvuteknologia (Ⅱ)

Neljäs, Fysikaalinen höyrynsiirtomenetelmä

Fyysinen höyrynkuljetusmenetelmä (PVT) sai alkunsa Lelyn vuonna 1955 keksimästä höyryfaasisublimaatioteknologiasta. SiC-jauhe laitetaan grafiittiputkeen ja kuumennetaan korkeaan lämpötilaan piikarbidijauheen hajottamiseksi ja sublimoimiseksi, minkä jälkeen grafiittiputki jäähdytetään.SiC-jauheen hajoamisen jälkeen höyryfaasikomponentit kerrostuvat ja kiteytyvät piikarbidikiteiksi grafiittiputken ympärille.Vaikka tällä menetelmällä on vaikea saada suurikokoisia piikarbidin yksittäiskiteitä ja saostusprosessia grafiittiputkessa on vaikea hallita, se tarjoaa ideoita myöhemmille tutkijoille.
Ym Terairov et ai.Venäjällä otettiin käyttöön siemenkiteiden käsite tältä pohjalta ja ratkaistiin piikarbidikiteiden hallitsemattoman kidemuodon ja nukleaatioaseman ongelma.Myöhemmät tutkijat jatkoivat parantamistaan ​​ja lopulta kehittivät fyysisen kaasufaasin siirtomenetelmän (PVT) nykypäivän teolliseen käyttöön.

Varhaisina piikarbidikiteiden kasvatusmenetelmänä fyysinen höyrynsiirtomenetelmä on yleisin piikarbidikiteiden kasvatusmenetelmä.Muihin menetelmiin verrattuna menetelmällä on alhaiset vaatimukset kasvulaitteille, yksinkertainen kasvatusprosessi, vahva ohjattavuus, perusteellinen kehitys ja tutkimus sekä teollinen sovellus.Nykyisellä PVT-menetelmällä kasvatetun kiteen rakenne on esitetty kuvassa.

Aksiaalisia ja radiaalisia lämpötilakenttiä voidaan ohjata ohjaamalla grafiittiupokkaan ulkoisia lämmöneristysolosuhteita.SiC-jauhe sijoitetaan grafiittiupokkaan pohjalle korkeammassa lämpötilassa ja SiC-siemenkiteet kiinnitetään grafiittiupokkaan yläosaan alhaisemmassa lämpötilassa.Jauheen ja siemenen välinen etäisyys säädetään yleensä kymmeniin millimetreihin, jotta vältetään kasvavan yksittäiskiteen ja jauheen välinen kosketus.Lämpötilagradientti on yleensä välillä 15-35℃/cm.Uunissa pidetään 50-5000 Pa:n inerttiä kaasua konvektion lisäämiseksi.Tällä tavalla, kun piikarbidijauhe on kuumennettu 2000-2500 ℃:seen induktiokuumennuksella, piikarbidijauhe sublimoituu ja hajoaa Si:ksi, Si2C:ksi, SiC2:ksi ja muille höyrykomponenteiksi ja kuljetetaan siemenpäähän kaasukonvektiolla, ja SiC-kide kiteytetään siemenkiteelle yksittäisten kiteiden kasvun saavuttamiseksi.Sen tyypillinen kasvunopeus on 0,1-2 mm/h.

PVT-prosessi keskittyy kasvulämpötilan, lämpötilagradientin, kasvupinnan, materiaalin pintavälin ja kasvupaineen hallintaan, sen etuna on, että sen prosessi on suhteellisen kypsä, raaka-aineet on helppo valmistaa, kustannukset ovat alhaiset, mutta kasvuprosessi PVT-menetelmää on vaikea havaita, kiteiden kasvunopeus 0,2-0,4 mm/h, suuripaksuisia (>50 mm) kiteitä on vaikea kasvattaa.Vuosikymmeniä jatkuneiden ponnistelujen jälkeen PVT-menetelmällä kasvatettujen piikarbidikiekkojen nykyiset markkinat ovat olleet erittäin suuret, ja piikarbidialustojen vuotuinen tuotanto voi nousta satoihin tuhansiin kiekkoihin, ja sen koko muuttuu vähitellen 4 tuumasta 6 tuumaan. , ja on kehittänyt 8 tuuman piikarbidin substraattinäytteitä.

 

Viides,Korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitusmenetelmä

 

High Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) on parannettu menetelmä, joka perustuu kemialliseen höyrypinnoitusmenetelmään (CVD).Menetelmää ehdottivat ensimmäisen kerran vuonna 1995 Kordina et al., Linköpingin yliopisto, Ruotsi.
Kasvurakennekaavio näkyy kuvassa:

Aksiaalisia ja radiaalisia lämpötilakenttiä voidaan ohjata ohjaamalla grafiittiupokkaan ulkoisia lämmöneristysolosuhteita.SiC-jauhe sijoitetaan grafiittiupokkaan pohjalle korkeammassa lämpötilassa ja SiC-siemenkiteet kiinnitetään grafiittiupokkaan yläosaan alhaisemmassa lämpötilassa.Jauheen ja siemenen välinen etäisyys säädetään yleensä kymmeniin millimetreihin, jotta vältetään kasvavan yksittäiskiteen ja jauheen välinen kosketus.Lämpötilagradientti on yleensä välillä 15-35℃/cm.Uunissa pidetään 50-5000 Pa:n inerttiä kaasua konvektion lisäämiseksi.Tällä tavalla, kun piikarbidijauhe on kuumennettu 2000-2500 ℃:seen induktiokuumennuksella, piikarbidijauhe sublimoituu ja hajoaa Si:ksi, Si2C:ksi, SiC2:ksi ja muille höyrykomponenteiksi ja kuljetetaan siemenpäähän kaasukonvektiolla, ja SiC-kide kiteytetään siemenkiteelle yksittäisten kiteiden kasvun saavuttamiseksi.Sen tyypillinen kasvunopeus on 0,1-2 mm/h.

PVT-prosessi keskittyy kasvulämpötilan, lämpötilagradientin, kasvupinnan, materiaalin pintavälin ja kasvupaineen hallintaan, sen etuna on, että sen prosessi on suhteellisen kypsä, raaka-aineet on helppo valmistaa, kustannukset ovat alhaiset, mutta kasvuprosessi PVT-menetelmää on vaikea havaita, kiteiden kasvunopeus 0,2-0,4 mm/h, suuripaksuisia (>50 mm) kiteitä on vaikea kasvattaa.Vuosikymmeniä jatkuneiden ponnistelujen jälkeen PVT-menetelmällä kasvatettujen piikarbidikiekkojen nykyiset markkinat ovat olleet erittäin suuret, ja piikarbidialustojen vuotuinen tuotanto voi nousta satoihin tuhansiin kiekkoihin, ja sen koko muuttuu vähitellen 4 tuumasta 6 tuumaan. , ja on kehittänyt 8 tuuman piikarbidin substraattinäytteitä.

 

Viides,Korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitusmenetelmä

 

High Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) on parannettu menetelmä, joka perustuu kemialliseen höyrypinnoitusmenetelmään (CVD).Menetelmää ehdottivat ensimmäisen kerran vuonna 1995 Kordina et al., Linköpingin yliopisto, Ruotsi.
Kasvurakennekaavio näkyy kuvassa:

Kun SiC-kidettä kasvatetaan nestefaasimenetelmällä, lämpötila- ja konvektiojakauma apuliuoksen sisällä on esitetty kuvassa:

Voidaan nähdä, että lämpötila upokkaan seinämän lähellä on apuliuoksessa korkeampi, kun taas lämpötila siemenkiteessä on alhaisempi.Kasvuprosessin aikana grafiittiupokas tarjoaa C-lähteen kiteiden kasvuun.Koska upokkaan seinämän lämpötila on korkea, C:n liukoisuus suuri ja liukenemisnopeus nopea, suuri määrä C:tä liukenee upokkaan seinämään muodostaen kylläisen C:n liuoksen. Nämä liuokset, joissa on suuri määrä liuennut C:tä kuljetetaan ymppäyskiteiden alaosaan konvektiolla apuliuoksen sisällä.Siemenkidepään alhaisesta lämpötilasta johtuen vastaavan C:n liukoisuus laskee vastaavasti, ja alkuperäinen C-kyllästetty liuos muuttuu C:n ylikylläiseksi liuokseksi siirrettyään tässä olosuhteissa matalan lämpötilan päähän.Suprataturoitu C liuoksessa yhdessä SiC:n kanssa apuliuoksessa voi kasvattaa SiC-kidettä epitaksiaalisesti siemenkiteellä.Kun C:n superforoitunut osa saostuu ulos, liuos palaa upokkaan seinämän korkean lämpötilan päähän konvektiolla ja liuottaa C:n uudelleen muodostaen kyllästetyn liuoksen.

Koko prosessi toistuu ja piikarbidikide kasvaa.Nestefaasin kasvuprosessissa C:n liukeneminen ja saostuminen liuokseen on erittäin tärkeä kasvun edistymisen indeksi.Kiteen vakaan kasvun varmistamiseksi on välttämätöntä säilyttää tasapaino C:n liukenemisen upokkaan seinämässä ja saostumisen välillä siemenpäässä.Jos C:n liukeneminen on suurempi kuin C:n saostuminen, kiteessä oleva C rikastuu vähitellen ja piikarbidin spontaani ydintyminen tapahtuu.Jos C:n liukeneminen on pienempi kuin C:n saostuminen, kiteiden kasvu on vaikea suorittaa liuenneen aineen puutteen vuoksi.
Samalla C:n kuljetus konvektiolla vaikuttaa myös C:n saantiin kasvun aikana.Riittävän hyvän kidelaadun ja riittävän paksuisten SiC-kiteiden kasvattamiseksi on tarpeen varmistaa edellä mainittujen kolmen alkuaineen tasapaino, mikä lisää huomattavasti SiC nestefaasin kasvun vaikeutta.Kuitenkin, kun niihin liittyviä teorioita ja teknologioita asteittain parannetaan ja parannetaan, piikarbidikiteiden nestefaasikasvun edut tulevat vähitellen näkyviin.
Tällä hetkellä 2 tuuman piikarbidikiteiden nestefaasikasvu voidaan saavuttaa Japanissa, ja myös 4 tuuman kiteiden nestefaasikasvua kehitetään.Tällä hetkellä kotimaisessa tutkimuksessa ei ole saatu hyviä tuloksia, ja asiaa koskevaa tutkimustyötä on seurattava.

 

Seitsemäs, SiC-kiteiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet

 

(1) Mekaaniset ominaisuudet: SiC-kiteillä on erittäin korkea kovuus ja hyvä kulutuskestävyys.Sen Mohs-kovuus on 9,2–9,3 ja Krit-kovuus 2900–3100 kg/mm2, mikä on löydettyjen materiaalien joukossa toiseksi vain timanttikiteet.Piikarbidin erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien ansiosta jauhettua piikarbidia käytetään usein leikkaus- tai hiontateollisuudessa, jonka vuositarve on jopa miljoonia tonneja.Joidenkin työkappaleiden kulutusta kestävä pinnoite käyttää myös SiC-pinnoitetta, Esimerkiksi joidenkin sotalaivojen kulutusta kestävä pinnoite koostuu piikarbidipinnoitteesta.

(2) Lämpöominaisuudet: SiC:n lämmönjohtavuus voi olla 3-5 W/cm·K, mikä on 3 kertaa perinteisen puolijohteen Si ja 8 kertaa GaAs:n.SiC:llä valmistetun laitteen lämmöntuotanto voidaan johtaa nopeasti pois, joten SiC-laitteen lämmönpoistoolosuhteiden vaatimukset ovat suhteellisen löysät ja se soveltuu paremmin suuritehoisten laitteiden valmistukseen.SiC:llä on vakaat termodynaamiset ominaisuudet.Normaaleissa paineolosuhteissa piikarbidi hajoaa suoraan höyryksi, joka sisältää Si:tä ja C:tä korkeammalla.

(3) Kemialliset ominaisuudet: SiC:llä on vakaat kemialliset ominaisuudet, hyvä korroosionkestävyys, eikä se reagoi minkään tunnetun hapon kanssa huoneenlämpötilassa.Pitkään ilmaan sijoitettu piikarbidi muodostaa hitaasti ohuen kerroksen tiheää SiO2:ta, mikä estää hapettumisreaktioiden lisääntymisen.Kun lämpötila nousee yli 1700 ℃, SiO2-ohut kerros sulaa ja hapettuu nopeasti.Piikarbidi voi käydä läpi hitaan hapetusreaktion sulien hapettimien tai emästen kanssa, ja piikarbidikiekot yleensä syöpyvät sulassa KOH:ssa ja Na2O2:ssa, mikä kuvaa sijoittumista piikarbidikiteissä..

(4) Sähköiset ominaisuudet: SiC leveän kaistavälin puolijohteiden edustajana, 6H-SiC ja 4H-SiC kaistaleveydet ovat 3,0 eV ja 3,2 eV, mikä on 3 kertaa Si:n ja 2 kertaa GaAs:n.SiC:stä valmistetuissa puolijohdelaitteessa on pienempi vuotovirta ja suurempi läpilyöntisähkökenttä, joten piikarbidia pidetään ihanteellisena materiaalina suuritehoisille laitteille.SiC:n kyllästettyjen elektronien liikkuvuus on myös 2 kertaa suurempi kuin Si:n, ja sillä on myös ilmeisiä etuja korkeataajuisten laitteiden valmistuksessa.P-tyypin SiC-kiteitä tai N-tyypin SiC-kiteitä voidaan saada dooppaamalla kiteissä olevat epäpuhtausatomit.Tällä hetkellä P-tyypin SiC-kiteet on seostettu pääasiassa Al-, B-, Be-, O-, Ga-, Sc- ja muilla atomeilla, ja N-tyypin SiC-kiteet on seostettu pääasiassa N-atomeilla.Dopingpitoisuuden ja tyypin erolla on suuri vaikutus piikarbidin fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin.Samalla vapaa kantaja voidaan naulata syvätasoisella dopingilla, kuten V, resistiivisyyttä voidaan lisätä ja puolieristävä SiC-kide saadaan aikaan.

(5) Optiset ominaisuudet: Suhteellisen leveän kaistavälin vuoksi seostamaton piikarbidikide on väritön ja läpinäkyvä.Seostetuissa SiC-kiteissä on erilaisia ​​värejä eri ominaisuuksiensa vuoksi, esimerkiksi 6H-SiC on vihreä N:n seostuksen jälkeen;4H-SiC on ruskeaa.15R-SiC on keltainen.Alalla seostettu 4H-SiC näyttää siniseltä.Se on intuitiivinen menetelmä erottaa SiC-kidetyyppi tarkkailemalla värieroa.Piikarbidiin liittyvien alojen jatkuvalla tutkimuksella viimeisen 20 vuoden aikana on tehty suuria läpimurtoja niihin liittyvissä teknologioissa.

 

Kahdeksas,SiC:n kehitystilan esittely

Tällä hetkellä piikarbiditeollisuudesta on tullut yhä täydellisempi substraattikiekoista, epitaksiaalisista kiekoista laitetuotantoon, pakkaamiseen, koko teollisuusketju on kypsynyt ja se voi toimittaa piikarbidiin liittyviä tuotteita markkinoille.

Cree on piikarbidikiteiden kasvatusalan johtaja, jolla on johtava asema sekä piikarbidisubstraattikiekkojen koossa että laadussa.Cree tuottaa tällä hetkellä 300 000 SiC-substraattisirua vuodessa, mikä vastaa yli 80 % maailmanlaajuisista toimituksista.

Syyskuussa 2019 Cree ilmoitti rakentavansa New Yorkin osavaltioon Yhdysvaltoihin uuden tehtaan, jossa käytetään edistyneintä teknologiaa halkaisijaltaan 200 mm:n teho- ja RF-SiC-substraattikiekkojen kasvattamiseen, mikä osoittaa, että sen 200 mm:n SiC-substraattimateriaalin valmistustekniikka on tulla aikuisemmaksi.

Tällä hetkellä markkinoilla olevat piikarbidisubstraattisirujen päätuotteet ovat pääasiassa 4H-SiC- ja 6H-SiC-johtavia ja puolieristettyjä 2–6 tuuman tyyppejä.
Lokakuussa 2015 Cree toi ensimmäisenä markkinoille 200 mm:n SiC-substraattikiekkoja N-tyypin ja LED-malleille, mikä merkitsi 8 tuuman SiC-substraattikiekkojen alkua markkinoille.
Vuonna 2016 Romm aloitti Venturi-tiimin sponsoroinnin ja käytti ensimmäisenä autossa IGBT + SiC SBD -yhdistelmää korvaamaan IGBT + Si FRD -ratkaisun perinteisessä 200 kW:n invertterissä.Parannuksen jälkeen invertterin painoa pienennetään 2 kg ja kokoa 19% samalla teholla.

Vuonna 2017 SiC MOS + SiC SBD:n käyttöönoton jälkeen painon lisäksi 6 kg pienennetään kokoa 43%, ja myös invertterin tehoa nostetaan 200 kW:sta 220 kW:iin.
Sen jälkeen kun Tesla otti SIC-pohjaiset laitteet käyttöön Model 3 -tuotteidensa päätaajuusmuuttajassa vuonna 2018, esittelyvaikutus vahvistui nopeasti, mikä teki xEV-automarkkinoista pian jännityksen lähteen piikarbidimarkkinoilla.SiC:n onnistuneen soveltamisen myötä myös siihen liittyvä markkinatuotannon arvo on noussut nopeasti.

Yhdeksäs,Johtopäätös:

Piikarbidiin liittyvien teollisuuden teknologioiden jatkuvan parantamisen myötä sen tuotto ja luotettavuus paranevat entisestään, myös piikarbidilaitteiden hinta laskee ja piikarbidin kilpailukyky markkinoilla tulee selvemmäksi.Tulevaisuudessa SiC-laitteita käytetään laajemmin eri aloilla, kuten autoissa, viestinnässä, sähköverkoissa ja liikenteessä, ja tuotemarkkinat laajenevat ja markkinoiden koko laajenee entisestään, mikä on tärkeä tuki valtakunnalliselle taloutta.