Pang-apat, Pisikal na paraan ng paglipat ng singaw
Ang pisikal na vapor transport (PVT) na paraan ay nagmula sa vapor phase sublimation technology na naimbento ni Lely noong 1955. Ang SiC powder ay inilalagay sa isang graphite tube at pinainit hanggang sa mataas na temperatura upang mabulok at ma-sublimate ang SiC powder, at pagkatapos ay ang graphite tube ay pinalamig. Matapos ang agnas ng SiC powder, ang mga bahagi ng vapor phase ay idineposito at na-kristal sa mga SiC na kristal sa paligid ng graphite tube. Bagaman ang pamamaraang ito ay mahirap makakuha ng malalaking sukat na SiC solong kristal, at ang proseso ng pagtitiwalag sa graphite tube ay mahirap kontrolin, nagbibigay ito ng mga ideya para sa mga susunod na mananaliksik.
Ym Terairov et al. sa Russia ipinakilala ang konsepto ng mga seed crystal sa batayan na ito, at nalutas ang problema ng hindi makontrol na hugis ng kristal at posisyon ng nucleation ng SiC crystals. Ang mga sumunod na mananaliksik ay nagpatuloy sa pagbuti at kalaunan ay binuo ang pisikal na gas phase transport (PVT) na paraan sa pang-industriya na paggamit ngayon.
Bilang pinakamaagang paraan ng paglago ng kristal ng SiC, ang paraan ng paglipat ng pisikal na singaw ay ang pinaka-pangunahing paraan ng paglago para sa paglago ng kristal ng SiC. Kung ikukumpara sa iba pang mga pamamaraan, ang pamamaraan ay may mababang mga kinakailangan para sa mga kagamitan sa paglago, simpleng proseso ng paglago, malakas na pagkontrol, masusing pag-unlad at pananaliksik, at natanto ang pang-industriyang aplikasyon. Ang istraktura ng kristal na lumago ng kasalukuyang pangunahing paraan ng PVT ay ipinapakita sa figure.
Ang mga patlang ng temperatura ng axial at radial ay maaaring kontrolin sa pamamagitan ng pagkontrol sa mga panlabas na kondisyon ng thermal insulation ng graphite crucible. Ang SiC powder ay inilalagay sa ilalim ng graphite crucible na may mas mataas na temperatura, at ang SiC seed crystal ay naayos sa tuktok ng graphite crucible na may mas mababang temperatura. Ang distansya sa pagitan ng pulbos at buto ay karaniwang kinokontrol na sampu-sampung milimetro upang maiwasan ang pagdikit sa pagitan ng lumalaking solong kristal at ng pulbos. Ang gradient ng temperatura ay karaniwang nasa hanay na 15-35 ℃/cm. Ang isang inert gas na 50-5000 Pa ay pinananatili sa furnace upang mapataas ang convection. Sa ganitong paraan, pagkatapos na ang SiC powder ay pinainit sa 2000-2500 ℃ sa pamamagitan ng induction heating, ang SiC powder ay magsa-sublimate at mabulok sa Si, Si2C, SiC2 at iba pang mga sangkap ng singaw, at dadalhin sa dulo ng binhi na may gas convection, at ang Ang SiC crystal ay na-kristal sa seed crystal upang makamit ang solong paglaki ng kristal. Ang karaniwang rate ng paglago nito ay 0.1-2mm/h.
Ang proseso ng PVT ay nakatuon sa kontrol ng temperatura ng paglago, gradient ng temperatura, ibabaw ng paglago, spacing ng ibabaw ng materyal at presyon ng paglago, ang kalamangan nito ay ang proseso nito ay medyo mature, ang mga hilaw na materyales ay madaling makagawa, ang gastos ay mababa, ngunit ang proseso ng paglago ng Mahirap obserbahan ang paraan ng PVT, rate ng paglago ng kristal na 0.2-0.4mm/h, mahirap palaguin ang mga kristal na may malaking kapal (>50mm). Pagkatapos ng mga dekada ng patuloy na pagsisikap, ang kasalukuyang merkado para sa SiC substrate wafers na lumago sa pamamagitan ng PVT method ay napakalaki, at ang taunang output ng SiC substrate wafers ay maaaring umabot sa daan-daang libong mga wafer, at ang laki nito ay unti-unting nagbabago mula 4 pulgada hanggang 6 pulgada. , at nakabuo ng 8 pulgada ng mga sample ng SiC substrate.
Ikalima,Paraan ng mataas na temperatura ng kemikal na vapor deposition
Ang High Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) ay isang pinahusay na paraan batay sa Chemical Vapor Deposition (CVD). Ang pamamaraan ay unang iminungkahi noong 1995 ng Kordina et al., Linkoping University, Sweden.
Ang diagram ng istraktura ng paglago ay ipinapakita sa figure:
Ang mga patlang ng temperatura ng axial at radial ay maaaring kontrolin sa pamamagitan ng pagkontrol sa mga panlabas na kondisyon ng thermal insulation ng graphite crucible. Ang SiC powder ay inilalagay sa ilalim ng graphite crucible na may mas mataas na temperatura, at ang SiC seed crystal ay naayos sa tuktok ng graphite crucible na may mas mababang temperatura. Ang distansya sa pagitan ng pulbos at buto ay karaniwang kinokontrol na sampu-sampung milimetro upang maiwasan ang pagdikit sa pagitan ng lumalaking solong kristal at ng pulbos. Ang gradient ng temperatura ay karaniwang nasa hanay na 15-35 ℃/cm. Ang isang inert gas na 50-5000 Pa ay pinananatili sa furnace upang mapataas ang convection. Sa ganitong paraan, pagkatapos na ang SiC powder ay pinainit sa 2000-2500 ℃ sa pamamagitan ng induction heating, ang SiC powder ay magsa-sublimate at mabulok sa Si, Si2C, SiC2 at iba pang mga sangkap ng singaw, at dadalhin sa dulo ng binhi na may gas convection, at ang Ang SiC crystal ay na-kristal sa seed crystal upang makamit ang solong paglaki ng kristal. Ang karaniwang rate ng paglago nito ay 0.1-2mm/h.
Ang proseso ng PVT ay nakatuon sa kontrol ng temperatura ng paglago, gradient ng temperatura, ibabaw ng paglago, spacing ng ibabaw ng materyal at presyon ng paglago, ang kalamangan nito ay ang proseso nito ay medyo mature, ang mga hilaw na materyales ay madaling makagawa, ang gastos ay mababa, ngunit ang proseso ng paglago ng Mahirap obserbahan ang paraan ng PVT, rate ng paglago ng kristal na 0.2-0.4mm/h, mahirap palaguin ang mga kristal na may malaking kapal (>50mm). Pagkatapos ng mga dekada ng patuloy na pagsisikap, ang kasalukuyang merkado para sa SiC substrate wafers na lumago sa pamamagitan ng PVT method ay napakalaki, at ang taunang output ng SiC substrate wafers ay maaaring umabot sa daan-daang libong mga wafer, at ang laki nito ay unti-unting nagbabago mula 4 pulgada hanggang 6 pulgada. , at nakabuo ng 8 pulgada ng mga sample ng SiC substrate.
Ikalima,Paraan ng mataas na temperatura ng kemikal na vapor deposition
Ang High Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) ay isang pinahusay na paraan batay sa Chemical Vapor Deposition (CVD). Ang pamamaraan ay unang iminungkahi noong 1995 ng Kordina et al., Linkoping University, Sweden.
Ang diagram ng istraktura ng paglago ay ipinapakita sa figure:
Kapag ang SiC crystal ay lumaki sa pamamagitan ng liquid phase method, ang temperatura at convection distribution sa loob ng auxiliary solution ay ipinapakita sa figure:
Makikita na ang temperatura malapit sa crucible wall sa auxiliary solution ay mas mataas, habang ang temperatura sa seed crystal ay mas mababa. Sa panahon ng proseso ng paglago, ang graphite crucible ay nagbibigay ng C source para sa paglaki ng kristal. Dahil ang temperatura sa crucible wall ay mataas, ang solubility ng C ay malaki, at ang dissolution rate ay mabilis, isang malaking halaga ng C ay matutunaw sa crucible wall upang bumuo ng isang saturated solution ng C. Ang mga solusyon na ito na may malaking halaga ng C dissolved ay dadalhin sa ibabang bahagi ng mga seed crystal sa pamamagitan ng convection sa loob ng auxiliary solution. Dahil sa mababang temperatura ng dulo ng kristal ng binhi, ang solubility ng kaukulang C ay bumababa nang katumbas, at ang orihinal na C-saturated na solusyon ay nagiging isang supersaturated na solusyon ng C pagkatapos mailipat sa mababang dulo ng temperatura sa ilalim ng kondisyong ito. Ang suprataturated C sa solusyon na sinamahan ng Si sa auxiliary na solusyon ay maaaring lumaki ang SiC crystal epitaxial sa seed crystal. Kapag ang superforated na bahagi ng C ay namuo, ang solusyon ay babalik sa mataas na temperatura na dulo ng crucible wall na may convection, at muling natunaw ang C upang bumuo ng isang saturated solution.
Ang buong proseso ay umuulit, at ang SiC crystal ay lumalaki. Sa proseso ng paglaki ng likidong bahagi, ang paglusaw at pag-ulan ng C sa solusyon ay isang napakahalagang index ng pag-unlad ng paglago. Upang matiyak ang matatag na paglaki ng kristal, kinakailangan upang mapanatili ang isang balanse sa pagitan ng paglusaw ng C sa pader ng crucible at ang pag-ulan sa dulo ng binhi. Kung ang paglusaw ng C ay mas malaki kaysa sa pag-ulan ng C, kung gayon ang C sa kristal ay unti-unting pinayaman, at ang kusang nucleation ng SiC ay magaganap. Kung ang paglusaw ng C ay mas mababa kaysa sa pag-ulan ng C, ang paglaki ng kristal ay magiging mahirap na isagawa dahil sa kakulangan ng solute.
Kasabay nito, ang transportasyon ng C sa pamamagitan ng convection ay nakakaapekto rin sa supply ng C sa panahon ng paglago. Upang mapalago ang mga kristal ng SiC na may sapat na kalidad ng kristal at sapat na kapal, kinakailangan upang matiyak ang balanse ng tatlong elemento sa itaas, na lubos na nagpapataas ng kahirapan ng paglago ng bahagi ng likido ng SiC. Gayunpaman, sa unti-unting pagpapabuti at pagpapabuti ng mga kaugnay na teorya at teknolohiya, unti-unting magpapakita ang mga bentahe ng likidong yugto ng paglaki ng mga kristal na SiC.
Sa kasalukuyan, ang liquid phase growth ng 2-inch SiC crystals ay maaaring makamit sa Japan, at ang liquid phase growth ng 4-inch crystals ay binuo din. Sa kasalukuyan, ang nauugnay na lokal na pananaliksik ay hindi nakakita ng magagandang resulta, at kinakailangan na subaybayan ang nauugnay na gawaing pananaliksik.
Ikapito, Mga katangiang pisikal at kemikal ng mga kristal na SiC
(1) Mga katangiang mekanikal: Ang mga kristal ng SiC ay may napakataas na tigas at mahusay na resistensya sa pagsusuot. Ang tigas ng Mohs nito ay nasa pagitan ng 9.2 at 9.3, at ang katigasan ng Krit nito ay nasa pagitan ng 2900 at 3100Kg/mm2, na pangalawa lamang sa mga kristal na brilyante sa mga materyales na natuklasan. Dahil sa mahusay na mekanikal na katangian ng SiC, ang pulbos na SiC ay kadalasang ginagamit sa industriya ng pagputol o paggiling, na may taunang pangangailangan na hanggang milyon-milyong tonelada. Ang wear-resistant coating sa ilang workpieces ay gagamit din ng SiC coating, halimbawa, ang wear-resistant coating sa ilang barkong pandigma ay binubuo ng SiC coating.
(2) Thermal properties: Ang thermal conductivity ng SiC ay maaaring umabot sa 3-5 W/cm·K, na 3 beses kaysa sa tradisyonal na semiconductor Si at 8 beses sa GaAs. Ang paggawa ng init ng aparato na inihanda ng SiC ay maaaring mabilis na maisagawa, kaya ang mga kinakailangan ng mga kondisyon ng pag-alis ng init ng aparatong SiC ay medyo maluwag, at ito ay mas angkop para sa paghahanda ng mga high-power na aparato. Ang SiC ay may matatag na katangian ng thermodynamic. Sa ilalim ng normal na mga kondisyon ng presyon, ang SiC ay direktang mabubulok sa singaw na naglalaman ng Si at C sa mas mataas.
(3) Mga katangian ng kemikal: Ang SiC ay may matatag na mga katangian ng kemikal, mahusay na lumalaban sa kaagnasan, at hindi tumutugon sa anumang kilalang acid sa temperatura ng silid. Ang SiC na inilagay sa hangin sa loob ng mahabang panahon ay dahan-dahang bubuo ng isang manipis na layer ng siksik na SiO2, na pumipigil sa mga karagdagang reaksyon ng oksihenasyon. Kapag ang temperatura ay tumaas sa higit sa 1700 ℃, ang SiO2 thin layer ay natutunaw at mabilis na nag-oxidize. Ang SiC ay maaaring sumailalim sa isang mabagal na reaksyon ng oksihenasyon na may mga nilusaw na oxidant o mga base, at ang mga SiC na wafer ay kadalasang kinakalawang sa tinunaw na KOH at Na2O2 upang makilala ang dislokasyon sa mga kristal ng SiC.
(4) Mga katangiang elektrikal: Ang SiC bilang isang kinatawan ng materyal ng malawak na bandgap semiconductors, ang 6H-SiC at 4H-SiC na mga lapad ng bandgap ay 3.0 eV at 3.2 eV ayon sa pagkakabanggit, na 3 beses ng Si at 2 beses ng GaAs. Ang mga semi-conductor na device na gawa sa SiC ay may mas maliit na leakage current at mas malaking breakdown electric field, kaya ang SiC ay itinuturing na isang mainam na materyal para sa mga high-power na device. Ang saturated electron mobility ng SiC ay 2 beses na mas mataas kaysa sa Si, at mayroon din itong malinaw na mga pakinabang sa paghahanda ng mga high-frequency na device. Ang mga P-type na SiC crystal o N-type na SiC na mga kristal ay maaaring makuha sa pamamagitan ng doping ng mga impurity atoms sa mga kristal. Sa kasalukuyan, ang mga P-type na SiC crystal ay pangunahing doped ng Al, B, Be, O, Ga, Sc at iba pang mga atomo, at ang mga N-type na sic crystal ay pangunahing doped ng N atoms. Ang pagkakaiba ng konsentrasyon at uri ng doping ay magkakaroon ng malaking epekto sa pisikal at kemikal na mga katangian ng SiC. Kasabay nito, ang libreng carrier ay maaaring ipako sa pamamagitan ng malalim na antas ng doping tulad ng V, ang resistivity ay maaaring tumaas, at ang semi-insulating SiC crystal ay maaaring makuha.
(5) Optical properties: Dahil sa medyo malawak na band gap, ang undoped SiC crystal ay walang kulay at transparent. Ang doped SiC crystal ay nagpapakita ng iba't ibang kulay dahil sa kanilang iba't ibang katangian, halimbawa, ang 6H-SiC ay berde pagkatapos ng doping N; Ang 4H-SiC ay kayumanggi. Ang 15R-SiC ay dilaw. Doped na may Al, 4H-SiC ay lumilitaw na asul. Ito ay isang intuitive na paraan upang makilala ang uri ng kristal ng SiC sa pamamagitan ng pagmamasid sa pagkakaiba ng kulay. Sa patuloy na pagsasaliksik sa mga kaugnay na larangan ng SiC sa nakalipas na 20 taon, mahusay na mga tagumpay ang nagawa sa mga kaugnay na teknolohiya.
ikawalo,Pagpapakilala ng katayuan ng pag-unlad ng SiC
Sa kasalukuyan, ang industriya ng SiC ay lalong naging perpekto, mula sa mga substrate na wafer, mga epitaxial na wafer hanggang sa produksyon ng device, packaging, ang buong industriyal na kadena ay naging matured, at maaari itong magbigay ng mga produktong nauugnay sa SiC sa merkado.
Ang Cree ay isang nangunguna sa industriya ng paglago ng kristal ng SiC na may nangungunang posisyon sa parehong laki at kalidad ng mga wafer ng SiC substrate. Ang Cree ay kasalukuyang gumagawa ng 300,000 SiC substrate chips bawat taon, na nagkakahalaga ng higit sa 80% ng mga pandaigdigang pagpapadala.
Noong Setyembre 2019, inanunsyo ng Cree na magtatayo ito ng bagong pasilidad sa New York State, USA, na gagamit ng pinaka-advanced na teknolohiya para palaguin ang 200 mm diameter power at RF SiC substrate wafers, na nagpapahiwatig na ang 200 mm SiC substrate material preparation technology nito ay may maging mas mature.
Sa kasalukuyan, ang pangunahing mga produkto ng SiC substrate chips sa merkado ay higit sa lahat 4H-SiC at 6H-SiC conductive at semi-insulated na mga uri ng 2-6 pulgada.
Noong Oktubre 2015, si Cree ang unang naglunsad ng 200 mm SiC substrate wafers para sa N-type at LED, na minarkahan ang simula ng 8-inch SiC substrate wafers sa merkado.
Noong 2016, sinimulan ni Romm ang pag-sponsor ng Venturi team at siya ang unang gumamit ng kumbinasyon ng IGBT + SiC SBD sa kotse upang palitan ang IGBT + Si FRD na solusyon sa tradisyonal na 200 kW inverter. Matapos ang pagpapabuti, ang bigat ng inverter ay nabawasan ng 2 kg at ang laki ay nabawasan ng 19% habang pinapanatili ang parehong kapangyarihan.
Noong 2017, pagkatapos ng karagdagang pag-ampon ng SiC MOS + SiC SBD, hindi lamang ang timbang ay nabawasan ng 6 kg, ang laki ay nabawasan ng 43%, at ang inverter power ay nadagdagan din mula 200 kW hanggang 220 kW.
Matapos gamitin ng Tesla ang mga device na nakabatay sa SIC sa mga pangunahing drive inverters ng mga produktong Model 3 nito noong 2018, mabilis na pinalaki ang epekto ng demonstrasyon, na ginagawang ang xEV automotive market sa lalong madaling panahon ay pinagmumulan ng kaguluhan para sa SiC market. Sa matagumpay na aplikasyon ng SiC, mabilis ding tumaas ang kaugnay nitong market output value.
ikasiyam,Konklusyon:
Sa patuloy na pagpapabuti ng mga teknolohiya sa industriya na nauugnay sa SiC, ang ani at pagiging maaasahan nito ay higit na mapapabuti, ang presyo ng mga aparatong SiC ay mababawasan din, at ang pagiging mapagkumpitensya sa merkado ng SiC ay magiging mas malinaw. Sa hinaharap, mas malawak na gagamitin ang mga SiC device sa iba't ibang larangan tulad ng mga sasakyan, komunikasyon, power grids, at transportasyon, at magiging mas malawak ang market ng produkto, at mas lalawak ang laki ng market, na magiging mahalagang suporta para sa pambansang ekonomiya.
Oras ng post: Ene-25-2024