Struttura è tecnulugia di crescita di carburu di siliciu (Ⅱ)

Quartu, Metudu di trasferimentu di vapore fisicu

U metudu di trasportu di vapore fisicu (PVT) hè urigginatu da a tecnulugia di sublimazione di a fase di vapore inventata da Lely in 1955. U polveru di SiC hè postu in un tubu di grafite è calatu à alta temperatura per descompone è sublimà u polveru di SiC, è dopu u tubu di grafite hè rinfriscatu. Dopu à a descomposizione di u polu di SiC, i cumpunenti di a fase di vapore sò dipositati è cristallizzati in cristalli di SiC intornu à u tubu di grafite. Ancu s'è stu metudu hè difficiule d'ottene grandi cristalli SiC unicu, è u prucessu di deposizione in u tubu di grafite hè difficiule di cuntrullà, furnisce idee per i circadori successivi.
Ym Terarov et al. in Russia hà introduttu u cuncettu di cristalli sumente nantu à sta basa, è risolviu u prublema di forma di cristalli incontrollable è pusizioni nucleation di cristalli SiC. I circadori successivi cuntinuavanu à migliurà è eventualmente sviluppatu u metudu di trasportu fisicu in fase di gas (PVT) in l'usu industriale oghje.

Cum'è u primu metudu di crescita di cristalli SiC, u metudu di trasferimentu di vapore fisicu hè u metudu di crescita più mainstream per a crescita di cristalli SiC. In cunfrontu cù l'altri metudi, u metudu hà bassi requisiti per l'equipaggiu di crescita, un prucessu simplice di crescita, una forte controllabilità, un sviluppu è una ricerca approfondita, è hà realizatu l'applicazione industriale. A struttura di u cristallu cultivatu da u metudu PVT mainstream attuale hè mostrata in a figura.

I campi di temperatura assiali è radiali ponu esse cuntrullati cuntrullendu e cundizioni d'insulazione termale esterna di u crucible di grafite. U polveru SiC hè situatu à u fondu di u crucible di grafite cù una temperatura più altu, è u cristallu di sumente SiC hè stallatu à a cima di u crucible di grafite cù una temperatura più bassu. A distanza trà a polvera è a sumente hè generalmente cuntrullata per esse decine di millimetri per evità u cuntattu trà u cristallu unicu in crescita è u polveru. U gradiente di temperatura hè generalmente in u range di 15-35 ℃ / cm. Un gas inerte di 50-5000 Pa hè guardatu in u furnace per aumentà a cunvezione. In questu modu, dopu chì u polveru di SiC hè riscaldatu à 2000-2500 ℃ per induction heating, u polveru di SiC sublimerà è si decompone in Si, Si2C, SiC2 è altri cumpunenti di vapore, è esse trasportatu à a fine di a sumente cù cunvezione di gas, è U cristallu SiC hè cristalizatu nantu à u cristallu di sementa per ottene una crescita di cristalli unichi. A so crescita tipica hè 0,1-2 mm / h.

U prucessu PVT si cuncentra nantu à u cuntrollu di a temperatura di crescita, u gradiente di temperatura, a superficia di crescita, a spaziatura di a superficia di materiale è a pressione di crescita, u so vantaghju hè chì u so prucessu hè relativamente maturu, a materia prima hè faciule da pruduce, u costu hè bassu, ma u prucessu di crescita di U metudu PVT hè difficiule di osservà, u tassu di crescita di cristalli di 0,2-0,4 mm / h, hè difficiule di cultivà cristalli cù grossu grossu (> 50 mm). Dopu decennii di sforzi cuntinui, u mercatu attuale di wafers di sustrato SiC cultivati ​​da u metudu PVT hè statu assai enormu, è a pruduzzione annuale di wafers di sustrato SiC pò ghjunghje à centinaie di millaie di wafers, è a so dimensione cambia gradualmente da 4 inch à 6 inch. , è hà sviluppatu 8 inch di campioni di sustrato SiC.

 

Quintu,Metudu di depositu di vapore chimicu à alta temperatura

 

A Deposizione Chemical Vapore à Alta Temperature (HTCVD) hè un metudu migliuratu basatu annantu à a Deposizione Chemical Vapor (CVD). U metudu hè statu prupostu prima in 1995 da Kordina et al., Linkoping University, Svezia.
U diagramma di a struttura di crescita hè mostratu in a figura:

I campi di temperatura assiali è radiali ponu esse cuntrullati cuntrullendu e cundizioni d'insulazione termale esterna di u crucible di grafite. U polveru SiC hè situatu à u fondu di u crucible di grafite cù una temperatura più altu, è u cristallu di sumente SiC hè stallatu à a cima di u crucible di grafite cù una temperatura più bassu. A distanza trà a polvera è a sumente hè generalmente cuntrullata per esse decine di millimetri per evità u cuntattu trà u cristallu unicu in crescita è u polveru. U gradiente di temperatura hè generalmente in u range di 15-35 ℃ / cm. Un gas inerte di 50-5000 Pa hè guardatu in u furnace per aumentà a cunvezione. In questu modu, dopu chì u polveru di SiC hè riscaldatu à 2000-2500 ℃ per induction heating, u polveru di SiC sublimerà è si decompone in Si, Si2C, SiC2 è altri cumpunenti di vapore, è esse trasportatu à a fine di a sumente cù cunvezione di gas, è U cristallu SiC hè cristalizatu nantu à u cristallu di sementa per ottene una crescita di cristalli unichi. A so crescita tipica hè 0,1-2 mm / h.

U prucessu PVT si cuncentra nantu à u cuntrollu di a temperatura di crescita, u gradiente di temperatura, a superficia di crescita, a spaziatura di a superficia di materiale è a pressione di crescita, u so vantaghju hè chì u so prucessu hè relativamente maturu, a materia prima hè faciule da pruduce, u costu hè bassu, ma u prucessu di crescita di U metudu PVT hè difficiule di osservà, u tassu di crescita di cristalli di 0,2-0,4 mm / h, hè difficiule di cultivà cristalli cù grossu grossu (> 50 mm). Dopu decennii di sforzi cuntinui, u mercatu attuale di wafers di sustrato SiC cultivati ​​da u metudu PVT hè statu assai enormu, è a pruduzzione annuale di wafers di sustrato SiC pò ghjunghje à centinaie di millaie di wafers, è a so dimensione cambia gradualmente da 4 inch à 6 inch. , è hà sviluppatu 8 inch di campioni di sustrato SiC.

 

Quintu,Metudu di depositu di vapore chimicu à alta temperatura

 

A Deposizione Chemical Vapore à Alta Temperature (HTCVD) hè un metudu migliuratu basatu annantu à a Deposizione Chemical Vapor (CVD). U metudu hè statu prupostu prima in 1995 da Kordina et al., Linkoping University, Svezia.
U diagramma di a struttura di crescita hè mostratu in a figura:

Quandu u cristallu SiC hè cultivatu da u metudu di a fase liquida, a distribuzione di a temperatura è a cunvezione in a suluzione ausiliaria hè mostrata in a figura:

Pò esse vistu chì a temperatura vicinu à u muru di crucible in a suluzione ausiliaria hè più altu, mentri a temperatura à u cristallu di sumente hè più bassu. Duranti u prucessu di crescita, u crucible di grafite furnisce C fonte per a crescita di cristalli. Perchè a temperatura à u muru di crucible hè altu, a sulubilità di C hè grande, è a tarifa di dissoluzione hè rapida, una grande quantità di C serà dissoluta à u muru di crucible per furmà una suluzione saturata di C. Queste suluzione cù una grande quantità. di C dissolutu serà trasportatu à a parte bassa di i cristalli di sementi per cunvezione in a suluzione ausiliaria. A causa di a bassa temperatura di l'estremità di u cristallu di sumente, a solubilità di u C currispundente diminuisce in modu currispundente, è a suluzione originale C-saturata diventa una suluzione supersaturata di C dopu esse trasferitu à a fine di a temperatura bassa in questa cundizione. Suprataturated C in suluzione cumminata cù Si in suluzione ausiliari pò cresce SiC cristal epitaxial su cristallu sumente. Quandu a parti superforata di C precipitate fora, a suluzione torna à l'estremità alta temperatura di u muru di u crucible cù cunvezione, è dissolve C di novu per furmà una suluzione saturata.

Tuttu u prucessu si ripete, è u cristallu SiC cresce. In u prucessu di crescita di a fase liquida, a dissoluzione è a precipitazione di C in suluzione hè un indice assai impurtante di u prugressu di crescita. Per assicurà a crescita di cristalli stabile, hè necessariu di mantene un equilibriu trà a dissoluzione di C à u muru di u crucible è a precipitazione à a fine di a sumente. Se a dissoluzione di C hè più grande ch'è a precipitazione di C, u C in u cristallu hè arricchitu gradualmente, è a nucleazione spontanea di SiC hè accaduta. Se a dissoluzione di C hè menu di a precipitazione di C, a crescita di cristalli serà difficiule di realizà per a mancanza di solute.
À u listessu tempu, u trasportu di C per cunvezione afecta ancu l'offerta di C durante a crescita. Per fà cresce i cristalli di SiC cù una qualità di cristallu abbastanza bona è un grossu abbastanza, hè necessariu di assicurà l'equilibriu di i trè elementi sopra, chì aumenta assai a difficultà di a crescita di fase liquida SiC. Tuttavia, cù a migliione graduali è a migliione di e teorie è tecnulugii cunnessi, i vantaghji di a crescita di a fase liquida di i cristalli SiC si mostranu gradualmente.
Attualmente, a crescita di fase liquida di cristalli SiC di 2 inch pò esse ottenuta in Giappone, è a crescita di fase liquida di cristalli di 4 inch hè ancu sviluppata. Attualmente, a ricerca domestica pertinente ùn hà micca vistu boni risultati, è hè necessariu di seguità u travagliu di ricerca pertinente.

 

Settimu, Proprietà fisiche è chimiche di i cristalli SiC

 

(1) Proprietà meccaniche: I cristalli SiC anu una durezza estremamente alta è una bona resistenza à l'usura. A so durezza Mohs hè trà 9,2 è 9,3, è a so durezza Krit hè trà 2900 è 3100Kg/mm2, chì hè seconda solu à i cristalli di diamanti trà i materiali chì sò stati scuperti. A causa di l'eccellenti proprietà meccaniche di SiC, u polveru SiC hè spessu usatu in l'industria di taglio o macinazione, cù una dumanda annuale di finu à milioni di tunnellate. U revestimentu resistente à l'usura nantu à certi pezzi di travagliu aduprà ancu un revestimentu SiC, per esempiu, u revestimentu resistente à l'usura nantu à certi navi di guerra hè cumpostu di revestimentu SiC.

(2) Proprietà termale: a conduttività termale di SiC pò ghjunghje à 3-5 W / cm·K, chì hè 3 volte quella di u semiconductor Si tradiziunale è 8 volte quella di GaAs. A pruduzzione di u calore di u dispusitivu preparatu da SiC pò esse cundutta rapidamente, cusì i requisiti di e cundizioni di dissipazione di u calore di u dispusitivu SiC sò relativamente solti, è hè più adattatu per a preparazione di dispusitivi d'alta putenza. SiC hà pruprietà termodinamica stabile. In cundizioni normali di pressione, SiC serà direttamente scompostu in vapore chì cuntene Si è C à più altu.

(3) Proprietà chimiche: SiC hà proprietà chimichi stabili, una bona resistenza à a corrosione, è ùn reagisce micca cù alcun acidu cunnisciutu à a temperatura di l'ambienti. SiC pusatu in l'aria per un bellu pezzu formarà lentamente una capa fina di SiO2 densu, impediscendu più riazzioni d'ossidazione. Quandu a temperatura aumenta à più di 1700 ℃, a capa fina di SiO2 si fonde è s'ossida rapidamente. SiC pò esse sottumessi à una lenta reazione d'ossidazione cù oxidanti o basi fusi, è i wafers di SiC sò generalmente corrosi in KOH fondu è Na2O2 per caratterizà a dislocazione in cristalli di SiC..

(4) Proprietà elettriche: SiC cum'è un materiale rappresentativu di semiconduttori di banda larga, 6H-SiC è 4H-SiC bandgap widths sò 3.0 eV è 3.2 eV rispettivamente, chì hè 3 volte quellu di Si è 2 volte quellu di GaAs. I dispusitivi semi-condutturi fatti di SiC anu una corrente di fuga più chjuca è un campu elettricu di rottura più grande, cusì SiC hè cunsideratu cum'è un materiale ideale per i dispositi d'alta putenza. A mobilità di l'elettroni saturati di SiC hè ancu 2 volte più altu ch'è quella di Si, è hà ancu vantaghji evidenti in a preparazione di dispusitivi d'alta freccia. Cristalli di SiC di tipu P o cristalli di SiC di tipu N ponu esse ottenuti dopendu l'atomi di impurità in i cristalli. At prisente, cristalli P-tip SiC sò principarmenti drogati da Al, B, Be, O, Ga, Sc è altri atomi, è N-tipu cristalli sic sò principarmenti doped da N atomi. A diffarenza di cuncentrazione di doping è u tipu avarà un grande impattu nantu à e proprietà fisiche è chimiche di SiC. À u listessu tempu, u trasportatore liberu pò esse chjapputu da u doping di livellu prufondu cum'è V, a resistività pò esse aumentata, è u cristallu SiC semi-insulating pò esse acquistatu.

(5) Proprietà ottiche: A causa di a banda larga relativamente larga, u cristallu SiC undoped hè incolore è trasparente. I cristalli SiC dopati mostranu diversi culori per via di e so proprietà diffirenti, per esempiu, 6H-SiC hè verde dopu à doping N; 4H-SiC hè marrone. 15R-SiC hè giallu. Dopatu cù Al, 4H-SiC appare blu. Hè un metudu intuitivu per distingue u tipu di cristalli SiC osservendu a diferenza di culore. Cù a ricerca cuntinua nantu à i campi ligati à SiC in l'ultimi 20 anni, grandi avanzati sò stati fatti in tecnulugii cunnessi.

 

Ottesimu,Introduzione di u statutu di sviluppu di SiC

Attualmente, l'industria di SiC hè diventata sempre più perfetta, da i wafers di sustrato, i wafers epitassiali à a produzzione di u dispositivu, l'imballu, l'intera catena industriale hè maturata, è pò furnisce i prudutti SiC à u mercatu.

Cree hè un capu in l'industria di a crescita di cristalli SiC cù una pusizione di punta in dimensione è qualità di wafer di sustrato SiC. Cree produce attualmente 300 000 chips di sustrato SiC per annu, chì rapprisentanu più di 80% di e spedizioni globale.

In settembre 2019, Cree hà annunziatu ch'ellu hà da custruisce un novu stabilimentu in u Statu di New York, USA, chì utilizerà a tecnulugia più avanzata per cultivà una putenza di 200 mm di diametru è wafers di sustrato RF SiC, chì indicanu chì a so tecnulugia di preparazione di materiale di sustrato SiC 200 mm hà. diventa più maturu.

Attualmente, i prudutti principali di chips di sustrato SiC nantu à u mercatu sò principalmente 4H-SiC è 6H-SiC tippi conduttivi è semi-insulati di 2-6 inch.
In uttrovi 2015, Cree hè statu u primu à lancià wafers di sustrato SiC 200 mm per N-type è LED, marcà l'iniziu di i wafers di sustrato SiC 8-inch à u mercatu.
In u 2016, Romm hà iniziatu à sponsorizà a squadra di Venturi è hè statu u primu à utilizà a cumminazzioni IGBT + SiC SBD in a vittura per rimpiazzà a suluzione IGBT + Si FRD in l'inverter tradiziunale di 200 kW. Dopu à a migliione, u pesu di l'inverter hè ridutta da 2 kg è a dimensione hè ridutta da 19% mantenendu a stessa putenza.

In 2017, dopu à l'adopzione ulteriore di SiC MOS + SiC SBD, micca solu u pesu hè ridutta da 6 kg, a dimensione hè ridutta da 43%, è a putenza di l'inverter hè ancu aumentata da 200 kW à 220 kW.
Dopu chì Tesla hà aduttatu i dispositi basati in SIC in l'inverter principali di i so prudutti Model 3 in 2018, l'effettu di a dimostrazione hè statu amplificatu rapidamente, facendu u mercatu di l'automobile xEV prestu una fonte di eccitazione per u mercatu SiC. Cù l'applicazione riescita di SiC, u so valore di pruduzzioni di u mercatu cunnessu hè ancu aumentatu rapidamente.

Nuvesimu,Conclusioni:

Cù u migliuramentu cuntinuu di tecnulugii di l'industria di SiC, u so rendimentu è a so affidabilità serà ancu migliuratu, u prezzu di i dispositi SiC serà ancu ridutta, è a competitività di u mercatu di SiC serà più evidenti. In u futuru, i dispositi SiC seranu più largamente utilizati in diversi campi, cum'è l'automobile, i cumunicazioni, e reti di energia è i trasporti, è u mercatu di i prudutti serà più largu, è a dimensione di u mercatu serà più allargata, diventendu un sustegnu impurtante per a naziunale. ecunumia.