Struktur och tillväxtteknologi för kiselkarbid (Ⅱ)

Fjärde, Fysisk ångöverföringsmetod

Metoden för fysisk ångtransport (PVT) härstammar från ångfassublimeringsteknologin som uppfanns av Lely 1955. SiC-pulvret placeras i ett grafitrör och värms upp till hög temperatur för att sönderdela och sublimera SiC-pulvret, och sedan kyls grafitröret. Efter sönderdelningen av SiC-pulvret avsätts ångfaskomponenterna och kristalliseras till SiC-kristaller runt grafitröret. Även om denna metod är svår att få fram SiC-enkristaller i stor storlek, och avsättningsprocessen i grafitröret är svår att kontrollera, ger den idéer för efterföljande forskare.
Ym Terairov et al. i Ryssland introducerade konceptet frökristaller på denna grund, och löste problemet med okontrollerbar kristallform och kärnbildningsposition för SiC-kristaller. Efterföljande forskare fortsatte att förbättra och utvecklade så småningom metoden för fysisk gasfastransport (PVT) i industriell användning idag.

Som den tidigaste SiC-kristalltillväxtmetoden är den fysiska ångöverföringsmetoden den mest vanliga tillväxtmetoden för SiC-kristalltillväxt. Jämfört med andra metoder har metoden låga krav på odlingsutrustning, enkel växtprocess, stark styrbarhet, genomgripande utveckling och forskning och har realiserat industriell tillämpning. Strukturen av kristall som odlas med den nuvarande vanliga PVT-metoden visas i figuren.

De axiella och radiella temperaturfälten kan styras genom att styra grafitdegelns externa värmeisoleringsförhållanden. SiC-pulvret placeras på botten av grafitdegeln med en högre temperatur, och SiC-frökristallen fixeras på toppen av grafitdegeln med en lägre temperatur. Avståndet mellan pulvret och fröet kontrolleras i allmänhet till att vara tiotals millimeter för att undvika kontakt mellan den växande enkristallen och pulvret. Temperaturgradienten är vanligtvis i intervallet 15-35 ℃/cm. En inert gas på 50-5000 Pa hålls i ugnen för att öka konvektionen. På detta sätt, efter att SiC-pulvret har värmts upp till 2000-2500 ℃ genom induktionsvärmning, kommer SiC-pulvret att sublimeras och sönderdelas till Si, Si2C, SiC2 och andra ångkomponenter, och transporteras till fröänden med gaskonvektion, och SiC-kristall kristalliseras på ympkristallen för att uppnå enkristalltillväxt. Dess typiska tillväxthastighet är 0,1-2 mm/h.

PVT-processen fokuserar på kontroll av tillväxttemperatur, temperaturgradient, tillväxtyta, materialytavstånd och tillväxttryck, dess fördel är att dess process är relativt mogen, råvaror är lätta att producera, kostnaden är låg, men tillväxtprocessen av PVT-metoden är svår att observera, kristalltillväxthastighet på 0,2-0,4mm/h, det är svårt att odla kristaller med stor tjocklek (>50mm). Efter årtionden av kontinuerliga ansträngningar har den nuvarande marknaden för SiC-substratskivor odlade med PVT-metoden varit mycket enorm, och den årliga produktionen av SiC-substratwafers kan nå hundratusentals wafers, och dess storlek ändras gradvis från 4 tum till 6 tum , och har utvecklat 8 tum av SiC-substratprover.

 

Femte,Kemisk ångavsättningsmetod vid hög temperatur

 

High Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) är en förbättrad metod baserad på Chemical Vapor Deposition (CVD). Metoden föreslogs första gången 1995 av Korina et al., Linköpings universitet, Sverige.
Tillväxtstrukturdiagrammet visas i figuren:

De axiella och radiella temperaturfälten kan styras genom att styra grafitdegelns externa värmeisoleringsförhållanden. SiC-pulvret placeras på botten av grafitdegeln med en högre temperatur, och SiC-frökristallen fixeras på toppen av grafitdegeln med en lägre temperatur. Avståndet mellan pulvret och fröet kontrolleras i allmänhet till att vara tiotals millimeter för att undvika kontakt mellan den växande enkristallen och pulvret. Temperaturgradienten är vanligtvis i intervallet 15-35 ℃/cm. En inert gas på 50-5000 Pa hålls i ugnen för att öka konvektionen. På detta sätt, efter att SiC-pulvret har värmts upp till 2000-2500 ℃ genom induktionsvärmning, kommer SiC-pulvret att sublimeras och sönderdelas till Si, Si2C, SiC2 och andra ångkomponenter, och transporteras till fröänden med gaskonvektion, och SiC-kristall kristalliseras på ympkristallen för att uppnå enkristalltillväxt. Dess typiska tillväxthastighet är 0,1-2 mm/h.

PVT-processen fokuserar på kontroll av tillväxttemperatur, temperaturgradient, tillväxtyta, materialytavstånd och tillväxttryck, dess fördel är att dess process är relativt mogen, råvaror är lätta att producera, kostnaden är låg, men tillväxtprocessen av PVT-metoden är svår att observera, kristalltillväxthastighet på 0,2-0,4mm/h, det är svårt att odla kristaller med stor tjocklek (>50mm). Efter årtionden av kontinuerliga ansträngningar har den nuvarande marknaden för SiC-substratskivor odlade med PVT-metoden varit mycket enorm, och den årliga produktionen av SiC-substratwafers kan nå hundratusentals wafers, och dess storlek ändras gradvis från 4 tum till 6 tum , och har utvecklat 8 tum av SiC-substratprover.

 

Femte,Kemisk ångavsättningsmetod vid hög temperatur

 

High Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) är en förbättrad metod baserad på Chemical Vapor Deposition (CVD). Metoden föreslogs första gången 1995 av Korina et al., Linköpings universitet, Sverige.
Tillväxtstrukturdiagrammet visas i figuren:

När SiC-kristallen odlas med vätskefasmetoden, visas temperaturen och konvektionsfördelningen inuti hjälplösningen i figuren:

Det kan ses att temperaturen nära degelväggen i hjälplösningen är högre, medan temperaturen vid frökristallen är lägre. Under tillväxtprocessen tillhandahåller grafitdegeln C-källa för kristalltillväxt. Eftersom temperaturen vid degelväggen är hög, lösligheten av C är stor och upplösningshastigheten är snabb, kommer en stor mängd C att lösas upp vid degelväggen för att bilda en mättad lösning av C. Dessa lösningar med en stor mängd av C upplöst kommer att transporteras till den nedre delen av frökristallerna genom konvektion i hjälplösningen. På grund av den låga temperaturen hos ympkristalländen minskar lösligheten av motsvarande C på motsvarande sätt, och den ursprungliga C-mättade lösningen blir en övermättad lösning av C efter att ha överförts till lågtemperaturänden under dessa förhållanden. Övermättad C i lösning kombinerat med Si i hjälplösning kan växa SiC-kristall epitaxiell på frökristall. När den superforerade delen av C faller ut, återgår lösningen till högtemperaturänden av degelväggen med konvektion och löser C igen för att bilda en mättad lösning.

Hela processen upprepas och SiC-kristallen växer. I processen med vätskefastillväxt är upplösningen och utfällningen av C i lösning ett mycket viktigt index för tillväxtframsteg. För att säkerställa stabil kristalltillväxt är det nödvändigt att upprätthålla en balans mellan upplösningen av C vid degelväggen och nederbörden vid fröänden. Om upplösningen av C är större än utfällningen av C, anrikas C i kristallen gradvis, och spontan kärnbildning av SiC kommer att inträffa. Om upplösningen av C är mindre än fällningen av C, kommer kristalltillväxten att vara svår att genomföra på grund av bristen på löst ämne.
Samtidigt påverkar transporten av C genom konvektion även tillförseln av C under tillväxten. För att odla SiC-kristaller med tillräckligt bra kristallkvalitet och tillräcklig tjocklek är det nödvändigt att säkerställa balansen mellan ovanstående tre element, vilket avsevärt ökar svårigheten med SiC-vätskefastillväxt. Men med den gradvisa förbättringen och förbättringen av relaterade teorier och teknologier kommer fördelarna med vätskefastillväxt av SiC-kristaller gradvis att visa sig.
För närvarande kan vätskefastillväxten av 2-tums SiC-kristaller uppnås i Japan, och vätskefastillväxten av 4-tumskristaller utvecklas också. I dagsläget har den relevanta inhemska forskningen inte sett bra resultat och det är nödvändigt att följa upp det relevanta forskningsarbetet.

 

Sjunde, Fysikaliska och kemiska egenskaper hos SiC-kristaller

 

(1) Mekaniska egenskaper: SiC-kristaller har extremt hög hårdhet och god slitstyrka. Dess Mohs-hårdhet är mellan 9,2 och 9,3, och dess Krit-hårdhet är mellan 2900 och 3100 kg/mm2, vilket är näst efter diamantkristaller bland material som har upptäckts. På grund av de utmärkta mekaniska egenskaperna hos SiC används SiC i pulverform ofta inom skär- eller slipindustrin, med en årlig efterfrågan på upp till miljoner ton. Den slitstarka beläggningen på vissa arbetsstycken kommer också att använda SiC-beläggning, till exempel är den slitstarka beläggningen på vissa krigsfartyg sammansatt av SiC-beläggning.

(2) Termiska egenskaper: termisk ledningsförmåga hos SiC kan nå 3-5 W/cm·K, vilket är 3 gånger den för traditionell halvledare Si och 8 gånger den för GaAs. Värmeproduktionen av anordningen som framställts av SiC kan snabbt ledas bort, så kraven på värmeavledningsförhållandena för SiC-anordningen är relativt lösa, och den är mer lämpad för framställning av högeffektsanordningar. SiC har stabila termodynamiska egenskaper. Under normala tryckförhållanden kommer SiC att sönderdelas direkt till ånga som innehåller Si och C vid högre.

(3) Kemiska egenskaper: SiC har stabila kemiska egenskaper, god korrosionsbeständighet och reagerar inte med någon känd syra vid rumstemperatur. SiC placerad i luften under lång tid kommer långsamt att bilda ett tunt lager av tät SiO2, vilket förhindrar ytterligare oxidationsreaktioner. När temperaturen stiger till mer än 1700 ℃ smälter det tunna SiO2-skiktet och oxiderar snabbt. SiC kan genomgå en långsam oxidationsreaktion med smälta oxidanter eller baser, och SiC-skivor korroderas vanligtvis i smält KOH och Na2O2 för att karakterisera dislokationen i SiC-kristaller.

(4) Elektriska egenskaper: SiC som ett representativt material för halvledare med breda bandgap, 6H-SiC och 4H-SiC bandgapbredder är 3,0 eV respektive 3,2 eV, vilket är 3 gånger det för Si och 2 gånger det för GaAs. Halvledarenheter gjorda av SiC har mindre läckström och större elektriskt genombrottsfält, så SiC anses vara ett idealiskt material för högeffektsenheter. Den mättade elektronrörligheten för SiC är också 2 gånger högre än den för Si, och den har också uppenbara fördelar vid framställning av högfrekventa enheter. SiC-kristaller av P-typ eller SiC-kristaller av N-typ kan erhållas genom att dopa föroreningsatomerna i kristallerna. För närvarande är SiC-kristaller av P-typ huvudsakligen dopade av Al, B, Be, O, Ga, Sc och andra atomer, och N-typ sic-kristaller är huvudsakligen dopade av N-atomer. Skillnaden i dopningskoncentration och typ kommer att ha stor inverkan på de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos SiC. Samtidigt kan den fria bäraren spikas av djupnivådopningen såsom V, resistiviteten kan ökas och den halvisolerande SiC-kristallen kan erhållas.

(5) Optiska egenskaper: På grund av det relativt breda bandgapet är den odopade SiC-kristallen färglös och transparent. De dopade SiC-kristallerna uppvisar olika färger på grund av deras olika egenskaper, till exempel är 6H-SiC grönt efter dopning av N; 4H-SiC är brunt. 15R-SiC är gul. Dopad med Al, verkar 4H-SiC blått. Det är en intuitiv metod för att särskilja SiC-kristalltyp genom att observera skillnaden i färg. Med den kontinuerliga forskningen om SiC-relaterade områden under de senaste 20 åren har stora genombrott gjorts inom relaterade teknologier.

 

Åttonde,Införande av SiC-utvecklingsstatus

För närvarande har SiC-industrin blivit allt mer perfekt, från substratwafers, epitaxialwafers till produktproduktion, förpackning, hela industrikedjan har mognat och den kan leverera SiC-relaterade produkter till marknaden.

Cree är ledande inom SiC-kristalltillväxtindustrin med en ledande position inom både storlek och kvalitet på SiC-substratskivor. Cree producerar för närvarande 300 000 SiC-substratchips per år, vilket står för mer än 80 % av globala leveranser.

I september 2019 tillkännagav Cree att de kommer att bygga en ny anläggning i delstaten New York, USA, som kommer att använda den mest avancerade tekniken för att odla kraft- och RF SiC-substratskivor med en diameter på 200 mm, vilket indikerar att dess 200 mm SiC-substratmaterialberedningsteknik har bli mognare.

För närvarande är de vanliga produkterna av SiC-substratchips på marknaden huvudsakligen 4H-SiC och 6H-SiC ledande och halvisolerade typer på 2-6 tum.
I oktober 2015 var Cree först med att lansera 200 mm SiC-substratskivor för N-typ och LED, vilket markerade början på 8-tums SiC-substratskivorna på marknaden.
2016 började Romm sponsra Venturi-teamet och var först med att använda kombinationen IGBT + SiC SBD i bilen för att ersätta IGBT + Si FRD-lösningen i den traditionella 200 kW-växelriktaren. Efter förbättringen minskar växelriktarens vikt med 2 kg och storleken minskas med 19 % samtidigt som den bibehåller samma effekt.

Under 2017, efter det fortsatta antagandet av SiC MOS + SiC SBD, minskas inte bara vikten med 6 kg, storleken minskas med 43% och växelriktareffekten ökas också från 200 kW till 220 kW.
Efter att Tesla anammade SIC-baserade enheter i huvudfrekvensomriktarna i sina Model 3-produkter 2018, förstärktes demonstrationseffekten snabbt, vilket gjorde xEV-fordonsmarknaden snart till en källa till spänning för SiC-marknaden. Med den framgångsrika tillämpningen av SiC har dess relaterade marknadsproduktionsvärde också stigit snabbt.

Nionde,Slutsats:

Med den kontinuerliga förbättringen av SiC-relaterade industriteknologier kommer dess avkastning och tillförlitlighet att förbättras ytterligare, priset på SiC-enheter kommer också att sänkas och SiC:s konkurrenskraft på marknaden kommer att bli mer uppenbar. I framtiden kommer SiC-enheter att användas mer allmänt inom olika områden som bilar, kommunikationer, elnät och transporter, och produktmarknaden kommer att bli bredare och marknadsstorleken kommer att utökas ytterligare, vilket blir ett viktigt stöd för den nationella ekonomi.