Structuur- en groeitechnologie van siliciumcarbide (Ⅱ)

Vierde, Fysische dampoverdrachtsmethode

De methode voor fysiek damptransport (PVT) is ontstaan ​​uit de dampfase-sublimatietechnologie, uitgevonden door Lely in 1955. Het SiC-poeder wordt in een grafietbuis geplaatst en tot hoge temperatuur verwarmd om het SiC-poeder te ontleden en te sublimeren, en vervolgens wordt de grafietbuis afgekoeld. Na de ontleding van het SiC-poeder worden de dampfasecomponenten afgezet en gekristalliseerd tot SiC-kristallen rond de grafietbuis. Hoewel het met deze methode moeilijk is om SiC-eenkristallen van grote omvang te verkrijgen en het afzettingsproces in de grafietbuis moeilijk te controleren is, levert het ideeën op voor volgende onderzoekers.
Ym Terairov et al. in Rusland introduceerde op deze basis het concept van entkristallen en loste het probleem op van de oncontroleerbare kristalvorm en kiempositie van SiC-kristallen. Daaropvolgende onderzoekers bleven de fysieke gasfasetransportmethode (PVT) verbeteren en ontwikkelden deze uiteindelijk voor industrieel gebruik.

Als de vroegste SiC-kristalgroeimethode is de fysieke dampoverdrachtmethode de meest gangbare groeimethode voor SiC-kristalgroei. Vergeleken met andere methoden stelt de methode weinig eisen aan groeiapparatuur, een eenvoudig groeiproces, sterke beheersbaarheid, grondige ontwikkeling en onderzoek, en heeft industriële toepassing gerealiseerd. De structuur van het kristal dat is gegroeid met de huidige reguliere PVT-methode wordt weergegeven in de figuur.

De axiale en radiale temperatuurvelden kunnen worden geregeld door de externe thermische isolatieomstandigheden van de grafietkroes te regelen. Het SiC-poeder wordt op de bodem van de grafietkroes met een hogere temperatuur geplaatst en het SiC-entkristal wordt aan de bovenkant van de grafietkroes met een lagere temperatuur gefixeerd. De afstand tussen het poeder en het zaad wordt doorgaans op tientallen millimeters gehouden om contact tussen het groeiende enkele kristal en het poeder te vermijden. De temperatuurgradiënt ligt gewoonlijk in het bereik van 15-35℃/cm. Een inert gas van 50-5000 Pa wordt in de oven gehouden om de convectie te vergroten. Op deze manier zal het SiC-poeder, nadat het SiC-poeder door inductieverwarming tot 2000-2500 ℃ is verwarmd, sublimeren en ontleden in Si, Si2C, SiC2 en andere dampcomponenten, en met gasconvectie naar het zaadeinde worden getransporteerd, en de SiC-kristallen worden op het entkristal gekristalliseerd om de groei van één kristal te bereiken. De typische groeisnelheid is 0,1-2 mm/uur.

Het PVT-proces richt zich op de controle van de groeitemperatuur, temperatuurgradiënt, groeioppervlak, materiaaloppervlakte-afstand en groeidruk. Het voordeel is dat het proces relatief volwassen is, grondstoffen gemakkelijk te produceren zijn, de kosten laag zijn, maar het groeiproces van PVT-methode is moeilijk waar te nemen, kristalgroeisnelheid van 0,2-0,4 mm/uur, het is moeilijk om kristallen met een grote dikte (>50 mm) te laten groeien. Na tientallen jaren van voortdurende inspanningen is de huidige markt voor SiC-substraatwafels gegroeid met de PVT-methode zeer groot, en de jaarlijkse productie van SiC-substraatwafels kan honderdduizenden wafels bereiken, en de grootte ervan verandert geleidelijk van 4 inch naar 6 inch , en heeft 8 inch SiC-substraatmonsters ontwikkeld.

 

Vijfde,Chemische dampafzettingsmethode op hoge temperatuur

 

High Temperature Chemical Vapour Deposition (HTCVD) is een verbeterde methode gebaseerd op Chemical Vapour Deposition (CVD). De methode werd voor het eerst voorgesteld in 1995 door Kordina et al., Linkoping University, Zweden.
Het groeistructuurdiagram wordt weergegeven in de figuur:

De axiale en radiale temperatuurvelden kunnen worden geregeld door de externe thermische isolatieomstandigheden van de grafietkroes te regelen. Het SiC-poeder wordt op de bodem van de grafietkroes met een hogere temperatuur geplaatst en het SiC-entkristal wordt aan de bovenkant van de grafietkroes met een lagere temperatuur gefixeerd. De afstand tussen het poeder en het zaad wordt doorgaans op tientallen millimeters gehouden om contact tussen het groeiende enkele kristal en het poeder te vermijden. De temperatuurgradiënt ligt gewoonlijk in het bereik van 15-35℃/cm. Een inert gas van 50-5000 Pa wordt in de oven gehouden om de convectie te vergroten. Op deze manier zal het SiC-poeder, nadat het SiC-poeder door inductieverwarming tot 2000-2500 ℃ is verwarmd, sublimeren en ontleden in Si, Si2C, SiC2 en andere dampcomponenten, en met gasconvectie naar het zaadeinde worden getransporteerd, en de SiC-kristallen worden op het entkristal gekristalliseerd om de groei van één kristal te bereiken. De typische groeisnelheid is 0,1-2 mm/uur.

Het PVT-proces richt zich op de controle van de groeitemperatuur, temperatuurgradiënt, groeioppervlak, materiaaloppervlakte-afstand en groeidruk. Het voordeel is dat het proces relatief volwassen is, grondstoffen gemakkelijk te produceren zijn, de kosten laag zijn, maar het groeiproces van PVT-methode is moeilijk waar te nemen, kristalgroeisnelheid van 0,2-0,4 mm/uur, het is moeilijk om kristallen met een grote dikte (>50 mm) te laten groeien. Na tientallen jaren van voortdurende inspanningen is de huidige markt voor SiC-substraatwafels gegroeid met de PVT-methode zeer groot, en de jaarlijkse productie van SiC-substraatwafels kan honderdduizenden wafels bereiken, en de grootte ervan verandert geleidelijk van 4 inch naar 6 inch , en heeft 8 inch SiC-substraatmonsters ontwikkeld.

 

Vijfde,Chemische dampafzettingsmethode op hoge temperatuur

 

High Temperature Chemical Vapour Deposition (HTCVD) is een verbeterde methode gebaseerd op Chemical Vapour Deposition (CVD). De methode werd voor het eerst voorgesteld in 1995 door Kordina et al., Linkoping University, Zweden.
Het groeistructuurdiagram wordt weergegeven in de figuur:

Wanneer het SiC-kristal wordt gegroeid volgens de vloeistoffasemethode, worden de temperatuur- en convectieverdeling in de hulpoplossing weergegeven in de figuur:

Te zien is dat de temperatuur nabij de kroeswand in de hulpoplossing hoger is, terwijl de temperatuur bij het entkristal lager is. Tijdens het groeiproces levert de grafietkroes een C-bron voor kristalgroei. Omdat de temperatuur aan de kroeswand hoog is, de oplosbaarheid van C groot is en de oplossnelheid snel is, zal een grote hoeveelheid C aan de kroeswand worden opgelost om een ​​verzadigde oplossing van C te vormen. Deze oplossingen met een grote hoeveelheid De opgeloste hoeveelheid C wordt door convectie in de hulpoplossing naar het onderste deel van de entkristallen getransporteerd. Als gevolg van de lage temperatuur van het entkristaluiteinde neemt de oplosbaarheid van het overeenkomstige C dienovereenkomstig af, en de oorspronkelijke C-verzadigde oplossing wordt een oververzadigde oplossing van C nadat het onder deze omstandigheden naar het lage temperatuuruiteinde is overgebracht. Suprataturatie van C in oplossing gecombineerd met Si in hulpoplossing kan SiC-kristallen epitaxiaal op kiemkristal laten groeien. Wanneer het superforated deel van C neerslaat, keert de oplossing door convectie terug naar het hoge temperatuuruiteinde van de kroeswand en lost C weer op om een ​​verzadigde oplossing te vormen.

Het hele proces herhaalt zich en het SiC-kristal groeit. Tijdens het groeiproces in de vloeibare fase is het oplossen en neerslaan van C in oplossing een zeer belangrijke indicator voor de voortgang van de groei. Om stabiele kristalgroei te garanderen, is het noodzakelijk om een ​​evenwicht te handhaven tussen het oplossen van C aan de kroeswand en de precipitatie aan het zaaduiteinde. Als het oplossen van C groter is dan de precipitatie van C, wordt de C in het kristal geleidelijk verrijkt en zal spontane kiemvorming van SiC plaatsvinden. Als het oplossen van C kleiner is dan de precipitatie van C, zal de kristalgroei moeilijk uit te voeren zijn vanwege het gebrek aan opgeloste stof.
Tegelijkertijd heeft het transport van C door convectie ook invloed op de toevoer van C tijdens de groei. Om SiC-kristallen te laten groeien met een voldoende goede kristalkwaliteit en voldoende dikte, is het noodzakelijk om de balans tussen de bovengenoemde drie elementen te waarborgen, wat de moeilijkheid van de groei van SiC in de vloeibare fase aanzienlijk vergroot. Met de geleidelijke verbetering en verbetering van gerelateerde theorieën en technologieën zullen de voordelen van de vloeistoffasegroei van SiC-kristallen echter geleidelijk aan zichtbaar worden.
Momenteel kan de vloeistoffasegroei van 2-inch SiC-kristallen worden bereikt in Japan, en de vloeistoffasegroei van 4-inch kristallen wordt ook ontwikkeld. Momenteel heeft het relevante binnenlandse onderzoek geen goede resultaten opgeleverd en is het noodzakelijk om het relevante onderzoekswerk op te volgen.

 

Zevende, Fysische en chemische eigenschappen van SiC-kristallen

 

(1) Mechanische eigenschappen: SiC-kristallen hebben een extreem hoge hardheid en goede slijtvastheid. De Mohs-hardheid ligt tussen 9,2 en 9,3, en de Krit-hardheid ligt tussen 2900 en 3100 kg/mm2, wat de tweede is na diamantkristallen onder de materialen die zijn ontdekt. Vanwege de uitstekende mechanische eigenschappen van SiC wordt poeder-SiC vaak gebruikt in de snij- of slijpindustrie, met een jaarlijkse vraag tot miljoenen tonnen. De slijtvaste coating op sommige werkstukken zal ook gebruik maken van SiC-coating, Zo bestaat de slijtvaste coating op sommige oorlogsschepen uit SiC-coating.

(2) Thermische eigenschappen: de thermische geleidbaarheid van SiC kan 3-5 W/cm·K bereiken, wat driemaal zo groot is als die van traditionele halfgeleider Si en achtmaal zo groot als GaAs. De warmteproductie van het door SiC bereide apparaat kan snel worden afgevoerd, dus de eisen aan de warmtedissipatieomstandigheden van het SiC-apparaat zijn relatief los en het is geschikter voor de voorbereiding van apparaten met hoog vermogen. SiC heeft stabiele thermodynamische eigenschappen. Onder normale drukomstandigheden zal SiC direct worden ontleed in damp die Si en C bevat.

(3) Chemische eigenschappen: SiC heeft stabiele chemische eigenschappen, goede corrosieweerstand en reageert bij kamertemperatuur niet met enig bekend zuur. SiC dat lange tijd in de lucht wordt geplaatst, zal langzaam een ​​dunne laag dicht SiO2 vormen, waardoor verdere oxidatiereacties worden voorkomen. Wanneer de temperatuur boven de 1700℃ stijgt, smelt en oxideert de dunne SiO2-laag snel. SiC kan een langzame oxidatiereactie ondergaan met gesmolten oxidatiemiddelen of basen, en SiC-wafels worden meestal gecorrodeerd in gesmolten KOH en Na2O2 om de dislocatie in SiC-kristallen te karakteriseren.

(4) Elektrische eigenschappen: SiC als representatief materiaal van halfgeleiders met grote bandafstand, de bandbreedte van 6H-SiC en 4H-SiC is respectievelijk 3,0 eV en 3,2 eV, wat drie keer zo groot is als die van Si en twee keer zo groot als die van GaAs. Halfgeleiderapparaten gemaakt van SiC hebben een kleinere lekstroom en een groter elektrisch doorslagveld, dus SiC wordt beschouwd als een ideaal materiaal voor apparaten met een hoog vermogen. De verzadigde elektronenmobiliteit van SiC is ook twee keer hoger dan die van Si, en het heeft ook duidelijke voordelen bij de voorbereiding van hoogfrequente apparaten. P-type SiC-kristallen of N-type SiC-kristallen kunnen worden verkregen door de onzuiverheidsatomen in de kristallen te doteren. Momenteel worden SiC-kristallen van het P-type voornamelijk gedoteerd door Al, B, Be, O, Ga, Sc en andere atomen, en worden N-type sic-kristallen voornamelijk gedoteerd door N-atomen. Het verschil in dopingconcentratie en -type zal een grote impact hebben op de fysische en chemische eigenschappen van SiC. Tegelijkertijd kan de vrije drager worden genageld door de diepe dotering zoals V, kan de soortelijke weerstand worden verhoogd en kan het semi-isolerende SiC-kristal worden verkregen.

(5) Optische eigenschappen: vanwege de relatief brede bandafstand is het ongedoteerde SiC-kristal kleurloos en transparant. De gedoteerde SiC-kristallen vertonen verschillende kleuren vanwege hun verschillende eigenschappen. 6H-SiC is bijvoorbeeld groen na dotering van N; 4H-SiC is bruin. 15R-SiC is geel. Gedoteerd met Al, lijkt 4H-SiC blauw. Het is een intuïtieve methode om het SiC-kristaltype te onderscheiden door het kleurverschil te observeren. Met het voortdurende onderzoek op SiC-gerelateerde gebieden in de afgelopen 20 jaar zijn er grote doorbraken geboekt in gerelateerde technologieën.

 

Achtste,Introductie van de SiC-ontwikkelingsstatus

Momenteel is de SiC-industrie steeds perfecter geworden, van substraatwafels, epitaxiale wafers tot de productie van apparaten en verpakkingen; de hele industriële keten is volwassen geworden en kan SiC-gerelateerde producten aan de markt leveren.

Cree is een leider in de SiC-kristalgroei-industrie met een leidende positie in zowel de omvang als de kwaliteit van SiC-substraatwafels. Cree produceert momenteel 300.000 SiC-substraatchips per jaar, goed voor meer dan 80% van de wereldwijde verzendingen.

In september 2019 kondigde Cree aan dat het een nieuwe fabriek gaat bouwen in de staat New York, VS, die de meest geavanceerde technologie zal gebruiken om stroom- en RF SiC-substraatwafels met een diameter van 200 mm te kweken, wat aangeeft dat zijn 200 mm SiC-substraatmateriaalvoorbereidingstechnologie volwassener worden.

Momenteel zijn de reguliere producten van SiC-substraatchips op de markt voornamelijk 4H-SiC en 6H-SiC geleidende en semi-geïsoleerde typen van 2-6 inch.
In oktober 2015 was Cree de eerste die SiC-substraatwafels van 200 mm voor N-type en LED lanceerde, wat het begin markeerde van de 8-inch SiC-substraatwafels op de markt.
In 2016 begon Romm met het sponsoren van het Venturi-team en was de eerste die de IGBT + SiC SBD-combinatie in de auto gebruikte ter vervanging van de IGBT + Si FRD-oplossing in de traditionele 200 kW-omvormer. Na de verbetering is het gewicht van de omvormer met 2 kg verminderd en is het formaat met 19% verkleind, terwijl hetzelfde vermogen behouden is gebleven.

In 2017, na de verdere adoptie van SiC MOS + SiC SBD, is niet alleen het gewicht met 6 kg verminderd, maar is de grootte ook met 43% verkleind en is ook het vermogen van de omvormer verhoogd van 200 kW naar 220 kW.
Nadat Tesla in 2018 op SIC gebaseerde apparaten had toegepast in de belangrijkste aandrijfomvormers van zijn Model 3-producten, werd het demonstratie-effect snel versterkt, waardoor de xEV-automarkt al snel een bron van opwinding werd voor de SiC-markt. Met de succesvolle toepassing van SiC is de daarmee samenhangende marktoutputwaarde ook snel gestegen.

Negende,Conclusie:

Met de voortdurende verbetering van SiC-gerelateerde industriële technologieën zullen de opbrengst en betrouwbaarheid ervan verder worden verbeterd, zal de prijs van SiC-apparaten ook worden verlaagd en zal het concurrentievermogen van SiC op de markt duidelijker worden. In de toekomst zullen SiC-apparaten op grotere schaal worden gebruikt op verschillende gebieden, zoals auto's, communicatie, elektriciteitsnetwerken en transport, en zal de productmarkt breder zijn en zal de marktomvang verder worden uitgebreid, wat een belangrijke ondersteuning zal worden voor de nationale markt. economie.