četvrto, Metoda fizičkog prijenosa pare
Metoda fizičkog transporta pare (PVT) nastala je od tehnologije sublimacije parne faze koju je izumio Lely 1955. SiC prah se stavlja u grafitnu cijev i zagrijava na visoku temperaturu kako bi se razgradio i sublimirao SiC prah, a zatim se grafitna cijev hladi. Nakon razgradnje SiC praha, komponente parne faze se talože i kristaliziraju u SiC kristale oko grafitne cijevi. Iako je ovom metodom teško dobiti monokristale SiC velike veličine, a proces taloženja u grafitnoj cijevi je teško kontrolisati, ona daje ideje za buduće istraživače.
Ym Terairov i dr. u Rusiji je na osnovu toga uveden koncept sjemenih kristala i riješen problem nekontroliranog oblika kristala i nukleacijske pozicije SiC kristala. Kasniji istraživači su nastavili da se usavršavaju i na kraju razvili metodu fizičkog transporta gasne faze (PVT) u industrijskoj upotrebi danas.
Kao najranija metoda rasta kristala SiC, metoda fizičkog prijenosa pare je najčešći metod rasta za rast kristala SiC. U poređenju sa drugim metodama, metoda ima niske zahtjeve za opremom za uzgoj, jednostavan proces rasta, snažnu kontrolu, temeljit razvoj i istraživanje, te je ostvarila industrijsku primjenu. Struktura kristala uzgojenog trenutnom glavnom PVT metodom prikazana je na slici.
Aksijalna i radijalna temperaturna polja mogu se kontrolisati kontrolom vanjskih uvjeta toplinske izolacije grafitnog lončića. SiC prah se postavlja na dno grafitnog lončića s višom temperaturom, a SiC zasječeni kristal je fiksiran na vrhu grafitnog lončića s nižom temperaturom. Udaljenost između praha i sjemena je općenito kontrolirana na desetine milimetara kako bi se izbjegao kontakt između rastućeg monokristala i praha. Temperaturni gradijent je obično u rasponu od 15-35℃/cm. Inertni gas od 50-5000 Pa se drži u peći kako bi se povećala konvekcija. Na ovaj način, nakon što se SiC prah zagrije na 2000-2500 ℃ indukcijskim zagrijavanjem, SiC prah će sublimirati i razložiti se na Si, Si2C, SiC2 i druge komponente pare, te će se transportirati do kraja sjemena konvekcijom plina, a Kristal SiC kristalizira se na začetnom kristalu kako bi se postigao rast pojedinačnih kristala. Njegova tipična brzina rasta je 0,1-2 mm/h.
PVT proces se fokusira na kontrolu temperature rasta, temperaturnog gradijenta, površine rasta, razmaka površine materijala i pritiska rasta, njegova prednost je što je njegov proces relativno zreo, sirovine je lako proizvesti, cijena je niska, ali proces rasta PVT metodu je teško uočiti, brzina rasta kristala je 0,2-0,4 mm/h, teško je uzgajati kristale velike debljine (>50 mm). Nakon decenija kontinuiranih napora, trenutno tržište za SiC supstratne pločice koje se uzgajaju PVT metodom je veoma veliko, a godišnja proizvodnja SiC supstratnih pločica može doseći stotine hiljada vafla, a njihova veličina se postepeno mijenja od 4 inča do 6 inča. , i razvio je 8 inča uzoraka SiC supstrata.
peto,Metoda hemijskog taloženja na visokim temperaturama
Visokotemperaturno hemijsko taloženje pare (HTCVD) je poboljšana metoda zasnovana na hemijskom taloženju pare (CVD). Metoda je prvi put predložena 1995. godine od strane Kordina et al., Univerzitet Linkoping, Švedska.
Dijagram strukture rasta prikazan je na slici:
Aksijalna i radijalna temperaturna polja mogu se kontrolisati kontrolom vanjskih uvjeta toplinske izolacije grafitnog lončića. SiC prah se postavlja na dno grafitnog lončića s višom temperaturom, a SiC zasječeni kristal je fiksiran na vrhu grafitnog lončića s nižom temperaturom. Udaljenost između praha i sjemena je općenito kontrolirana na desetine milimetara kako bi se izbjegao kontakt između rastućeg monokristala i praha. Temperaturni gradijent je obično u rasponu od 15-35℃/cm. Inertni gas od 50-5000 Pa se drži u peći kako bi se povećala konvekcija. Na ovaj način, nakon što se SiC prah zagrije na 2000-2500 ℃ indukcijskim zagrijavanjem, SiC prah će sublimirati i razložiti se na Si, Si2C, SiC2 i druge komponente pare, te će se transportirati do kraja sjemena konvekcijom plina, a Kristal SiC kristalizira se na začetnom kristalu kako bi se postigao rast pojedinačnih kristala. Njegova tipična brzina rasta je 0,1-2 mm/h.
PVT proces se fokusira na kontrolu temperature rasta, temperaturnog gradijenta, površine rasta, razmaka površine materijala i pritiska rasta, njegova prednost je što je njegov proces relativno zreo, sirovine je lako proizvesti, cijena je niska, ali proces rasta PVT metodu je teško uočiti, brzina rasta kristala je 0,2-0,4 mm/h, teško je uzgajati kristale velike debljine (>50 mm). Nakon decenija kontinuiranih napora, trenutno tržište za SiC supstratne pločice koje se uzgajaju PVT metodom je veoma veliko, a godišnja proizvodnja SiC supstratnih pločica može doseći stotine hiljada vafla, a njihova veličina se postepeno mijenja od 4 inča do 6 inča. , i razvio je 8 inča uzoraka SiC supstrata.
peto,Metoda hemijskog taloženja na visokim temperaturama
Visokotemperaturno hemijsko taloženje pare (HTCVD) je poboljšana metoda zasnovana na hemijskom taloženju pare (CVD). Metoda je prvi put predložena 1995. godine od strane Kordina et al., Univerzitet Linkoping, Švedska.
Dijagram strukture rasta prikazan je na slici:
Kada se kristal SiC uzgaja metodom tekuće faze, distribucija temperature i konvekcije unutar pomoćne otopine prikazana je na slici:
Vidi se da je temperatura u blizini zida lončića u pomoćnom rastvoru viša, dok je temperatura na začmenom kristalu niža. Tokom procesa rasta, grafitni lončić daje izvor C za rast kristala. Pošto je temperatura na zidu lončića visoka, rastvorljivost C je velika, a brzina rastvaranja brza, velika količina C će se rastvoriti na zidu lončića da bi se formirao zasićeni rastvor C. Ovi rastvori sa velikom količinom otopljeni C će se transportovati u donji dio kristala sjemena konvekcijom unutar pomoćnog rastvora. Zbog niske temperature na kraju kristalnog sjemena, rastvorljivost odgovarajućeg C opada na odgovarajući način, a originalna otopina C-zasićena postaje prezasićena otopina C nakon što se prenese na kraj niske temperature pod ovim uvjetima. Suprataturirani C u otopini u kombinaciji sa Si u pomoćnoj otopini može razviti SiC kristal epitaksijalno na kristalu sjemena. Kada se superforirani dio C istaloži, otopina se konvekcijom vraća na visokotemperaturni kraj stijenke lončića i ponovo otapa C kako bi se formirala zasićena otopina.
Čitav proces se ponavlja, a kristal SiC raste. U procesu rasta tečne faze, rastvaranje i taloženje C u rastvoru je veoma važan pokazatelj napredovanja rasta. Da bi se osigurao stabilan rast kristala, potrebno je održavati ravnotežu između rastvaranja C na zidu lončića i taloženja na kraju sjemena. Ako je otapanje C veće od precipitacije C, tada se C u kristalu postepeno obogaćuje i dolazi do spontane nukleacije SiC. Ako je otapanje C manje od precipitacije C, rast kristala će biti teško provesti zbog nedostatka otopljene tvari.
Istovremeno, transport C konvekcijom takođe utiče na snabdevanje C tokom rasta. Da bi se uzgajali SiC kristali dovoljno dobrog kvaliteta kristala i dovoljne debljine, potrebno je osigurati ravnotežu navedena tri elementa, što uvelike povećava poteškoće rasta SiC tekuće faze. Međutim, s postepenim poboljšanjem i unapređenjem srodnih teorija i tehnologija, prednosti rasta tečne faze SiC kristala će se postepeno pokazivati.
Trenutno, rast tečne faze 2-inčnih SiC kristala može se postići u Japanu, a takođe se razvija i rast tečne faze 4-inčnih kristala. Relevantna domaća istraživanja za sada nisu dala dobre rezultate, te je potrebno pratiti relevantni istraživački rad.
sedmo, Fizička i hemijska svojstva SiC kristala
(1) Mehanička svojstva: SiC kristali imaju izuzetno visoku tvrdoću i dobru otpornost na habanje. Njegova tvrdoća po Mohs-u je između 9,2 i 9,3, a tvrdoća po Krit-u između 2900 i 3100 kg/mm2, što je drugo nakon dijamantskih kristala među otkrivenim materijalima. Zbog odličnih mehaničkih svojstava SiC-a, SiC u prahu se često koristi u industriji rezanja ili mljevenja, s godišnjom potražnjom do miliona tona. Premaz otporan na habanje na nekim radnim komadima će također koristiti SiC premaz, na primjer, premaz otporan na habanje na nekim ratnim brodovima se sastoji od SiC premaza.
(2) Toplotna svojstva: toplotna provodljivost SiC može dostići 3-5 W/cm·K, što je 3 puta više od tradicionalnog poluprovodnika Si i 8 puta veće od GaAs. Proizvodnja toplote uređaja pripremljenog od SiC može se brzo odvesti, tako da su zahtevi za uslove disipacije toplote SiC uređaja relativno labavi i pogodniji je za pripremu uređaja velike snage. SiC ima stabilna termodinamička svojstva. U uslovima normalnog pritiska, SiC će se direktno razložiti u paru koja sadrži Si i C na višim.
(3) Hemijska svojstva: SiC ima stabilna hemijska svojstva, dobru otpornost na koroziju i ne reaguje ni sa jednom poznatom kiselinom na sobnoj temperaturi. SiC koji se nalazi u vazduhu dugo vremena će polako formirati tanak sloj gustog SiO2, sprečavajući dalje reakcije oksidacije. Kada temperatura poraste na više od 1700℃, tanki sloj SiO2 se topi i brzo oksidira. SiC se može podvrgnuti sporoj reakciji oksidacije s rastopljenim oksidantima ili bazama, a SiC pločice se obično korodiraju u rastopljenom KOH i Na2O2 kako bi se karakterizirala dislokacija u kristalima SiC.
(4) Električna svojstva: SiC kao reprezentativni materijal poluprovodnika sa širokim pojasom, širine pojasnog razmaka 6H-SiC i 4H-SiC su 3,0 eV i 3,2 eV respektivno, što je 3 puta više od Si i 2 puta veće od GaAs. Poluprovodnički uređaji napravljeni od SiC imaju manju struju curenja i veće probojno električno polje, pa se SiC smatra idealnim materijalom za uređaje velike snage. Zasićena pokretljivost elektrona SiC je također 2 puta veća od SiC, a također ima očigledne prednosti u pripremi visokofrekventnih uređaja. Kristali P-tipa SiC ili N-tipa SiC kristali mogu se dobiti dopiranjem atoma nečistoća u kristalima. Trenutno su kristali P-tipa SiC uglavnom dopirani atomima Al, B, Be, O, Ga, Sc i drugim atomima, a sic kristali N-tipa su uglavnom dopirani atomima N. Razlika u koncentraciji i vrsti dopinga će imati veliki uticaj na fizička i hemijska svojstva SiC. U isto vrijeme, slobodni nosač se može zakucati dopingom dubokog nivoa kao što je V, otpornost se može povećati i može se dobiti poluizolirajući SiC kristal.
(5) Optička svojstva: Zbog relativno širokog pojasa, nedopirani SiC kristal je bezbojan i transparentan. Dopirani SiC kristali pokazuju različite boje zbog svojih različitih svojstava, na primjer, 6H-SiC je zelen nakon dopiranja N; 4H-SiC je braon. 15R-SiC je žut. Dopiran Al, 4H-SiC izgleda plavo. To je intuitivna metoda za razlikovanje tipa kristala SiC promatranjem razlike u boji. Uz kontinuirano istraživanje u oblastima vezanim za SiC u proteklih 20 godina, napravljeni su veliki pomaci u srodnim tehnologijama.
osmo,Uvođenje statusa razvoja SiC
Trenutno, SiC industrija postaje sve savršenija, od podloge, epitaksijalne pločice do proizvodnje uređaja, pakovanja, cijeli industrijski lanac je sazreo i može isporučiti proizvode povezane sa SiC na tržištu.
Cree je lider u industriji rasta SiC kristala s vodećom pozicijom u veličini i kvaliteti pločica za SiC supstrat. Cree trenutno proizvodi 300.000 čipova SiC supstrata godišnje, što čini više od 80% globalnih isporuka.
U septembru 2019., Cree je najavio da će izgraditi novo postrojenje u državi New York, SAD, koje će koristiti najnapredniju tehnologiju za uzgoj 200 mm prečnika snage i RF SiC podloge, ukazujući da njegova tehnologija pripreme materijala za supstrat od 200 mm ima postati zreliji.
Trenutno, glavni proizvodi SiC supstratnih čipova na tržištu su uglavnom 4H-SiC i 6H-SiC provodljivi i poluizolovani tipovi od 2-6 inča.
U oktobru 2015. Cree je bio prvi koji je lansirao 200 mm SiC supstratne pločice za N-tip i LED, što je označilo početak 8-inčnih SiC supstratnih pločica na tržištu.
Godine 2016. Romm je počeo sponzorirati Venturi tim i bio je prvi koji je koristio kombinaciju IGBT + SiC SBD u automobilu kako bi zamijenio IGBT + Si FRD rješenje u tradicionalnom inverteru od 200 kW. Nakon poboljšanja, težina pretvarača je smanjena za 2 kg, a veličina je smanjena za 19% uz zadržavanje iste snage.
U 2017. godini, nakon daljnjeg usvajanja SiC MOS + SiC SBD, ne samo da je težina smanjena za 6 kg, već je i veličina smanjena za 43%, a povećana je i snaga pretvarača sa 200 kW na 220 kW.
Nakon što je Tesla usvojio SIC-bazirane uređaje u glavnim pogonskim pretvaračima svojih proizvoda Model 3 2018. godine, demonstracijski efekat se brzo pojačao, čineći tržište automobila xEV uskoro izvorom uzbuđenja za SiC tržište. Uz uspješnu primjenu SiC-a, njegova srodna tržišna vrijednost također je brzo porasla.
deveto,zaključak:
Uz kontinuirano unapređenje industrijskih tehnologija povezanih sa SiC, njegov prinos i pouzdanost će se dodatno poboljšati, cijena SiC uređaja će se također smanjiti, a tržišna konkurentnost SiC-a će biti očiglednija. U budućnosti, SiC uređaji će se sve više koristiti u različitim oblastima kao što su automobili, komunikacije, elektroenergetske mreže i transport, a tržište proizvoda će biti šire, a veličina tržišta će se dalje širiti, postajući važna podrška nacionalnom ekonomija.
Vrijeme objave: Jan-25-2024