Struktura dhe teknologjia e rritjes së karbitit të silikonit (Ⅱ)

e katërta, Metoda e transferimit fizik të avullit

Metoda e transportit fizik të avullit (PVT) e ka origjinën nga teknologjia e sublimimit të fazës së avullit e shpikur nga Lely në 1955. Pluhuri SiC vendoset në një tub grafiti dhe nxehet në temperaturë të lartë për të dekompozuar dhe sublimuar pluhurin SiC, dhe më pas tubi i grafitit ftohet. Pas dekompozimit të pluhurit SiC, përbërësit e fazës së avullit depozitohen dhe kristalizohen në kristale SiC rreth tubit të grafitit. Edhe pse kjo metodë është e vështirë për të marrë kristal të vetëm SiC me madhësi të madhe, dhe procesi i depozitimit në tubin e grafitit është i vështirë për t'u kontrolluar, ajo ofron ide për studiuesit e mëvonshëm.
Ym Terairov etj. në Rusi prezantoi konceptin e kristaleve të farës mbi këtë bazë dhe zgjidhi problemin e formës së pakontrollueshme të kristalit dhe pozicionit të bërthamës së kristaleve SiC. Studiuesit pasues vazhduan të përmirësonin dhe përfundimisht zhvilluan metodën e transportit të fazës fizike të gazit (PVT) në përdorim industrial sot.

Si metoda më e hershme e rritjes së kristalit SiC, metoda e transferimit fizik të avullit është metoda më e zakonshme e rritjes për rritjen e kristalit SiC. Krahasuar me metodat e tjera, metoda ka kërkesa të ulëta për pajisjet e rritjes, proces të thjeshtë rritjeje, kontrollueshmëri të fortë, zhvillim dhe kërkim të plotë dhe ka zbatuar industriale. Struktura e kristalit të rritur me metodën aktuale PVT është paraqitur në figurë.

Fushat e temperaturës aksiale dhe radiale mund të kontrollohen duke kontrolluar kushtet e jashtme të izolimit termik të gropëzës së grafitit. Pluhuri SiC vendoset në pjesën e poshtme të kutisë së grafitit me një temperaturë më të lartë, dhe kristali i farës SiC fiksohet në pjesën e sipërme të enës së grafitit me një temperaturë më të ulët. Distanca midis pluhurit dhe farës përgjithësisht kontrollohet të jetë dhjetëra milimetra për të shmangur kontaktin midis kristalit të vetëm në rritje dhe pluhurit. Gradienti i temperaturës është zakonisht në intervalin 15-35℃/cm. Një gaz inert prej 50-5000 Pa mbahet në furrë për të rritur konvekcionin. Në këtë mënyrë, pasi pluhuri SiC të nxehet në 2000-2500℃ me ngrohje me induksion, pluhuri SiC do të sublimohet dhe do të dekompozohet në Si, Si2C, SiC2 dhe përbërës të tjerë avulli dhe do të transportohet në fundin e farës me konvekcion gazi, dhe Kristali SiC kristalizohet në kristalin e farës për të arritur rritjen e një kristali. Shkalla e tij tipike e rritjes është 0.1-2 mm/h.

Procesi PVT fokusohet në kontrollin e temperaturës së rritjes, gradientit të temperaturës, sipërfaqes së rritjes, hapësirës së sipërfaqes së materialit dhe presionit të rritjes, avantazhi i tij është se procesi i tij është relativisht i pjekur, lëndët e para janë të lehta për t'u prodhuar, kostoja është e ulët, por procesi i rritjes së Metoda PVT është e vështirë për t'u vëzhguar, shkalla e rritjes së kristalit prej 0.2-0.4 mm/h, është e vështirë të rriten kristale me trashësi të madhe (>50 mm). Pas dekadash përpjekjesh të vazhdueshme, tregu aktual për vaferat e substratit SiC të rritura me metodën PVT ka qenë shumë i madh, dhe prodhimi vjetor i vaferave me substrate SiC mund të arrijë qindra mijëra vafera dhe madhësia e tij po ndryshon gradualisht nga 4 inç në 6 inç. , dhe ka zhvilluar 8 inç të mostrave të substratit SiC.

 

e pesta,Metoda e depozitimit të avullit kimik në temperaturë të lartë

 

Depozitimi i avullit kimik me temperaturë të lartë (HTCVD) është një metodë e përmirësuar e bazuar në depozitimin kimik të avullit (CVD). Metoda u propozua për herë të parë në 1995 nga Kordina et al., Linkoping University, Suedi.
Diagrami i strukturës së rritjes është paraqitur në figurë:

Fushat e temperaturës aksiale dhe radiale mund të kontrollohen duke kontrolluar kushtet e jashtme të izolimit termik të gropëzës së grafitit. Pluhuri SiC vendoset në pjesën e poshtme të kutisë së grafitit me një temperaturë më të lartë, dhe kristali i farës SiC fiksohet në pjesën e sipërme të enës së grafitit me një temperaturë më të ulët. Distanca midis pluhurit dhe farës përgjithësisht kontrollohet të jetë dhjetëra milimetra për të shmangur kontaktin midis kristalit të vetëm në rritje dhe pluhurit. Gradienti i temperaturës është zakonisht në intervalin 15-35℃/cm. Një gaz inert prej 50-5000 Pa mbahet në furrë për të rritur konvekcionin. Në këtë mënyrë, pasi pluhuri SiC të nxehet në 2000-2500℃ me ngrohje me induksion, pluhuri SiC do të sublimohet dhe do të dekompozohet në Si, Si2C, SiC2 dhe përbërës të tjerë avulli dhe do të transportohet në fundin e farës me konvekcion gazi, dhe Kristali SiC kristalizohet në kristalin e farës për të arritur rritjen e një kristali. Shkalla e tij tipike e rritjes është 0.1-2 mm/h.

Procesi PVT fokusohet në kontrollin e temperaturës së rritjes, gradientit të temperaturës, sipërfaqes së rritjes, hapësirës së sipërfaqes së materialit dhe presionit të rritjes, avantazhi i tij është se procesi i tij është relativisht i pjekur, lëndët e para janë të lehta për t'u prodhuar, kostoja është e ulët, por procesi i rritjes së Metoda PVT është e vështirë për t'u vëzhguar, shkalla e rritjes së kristalit prej 0.2-0.4 mm/h, është e vështirë të rriten kristale me trashësi të madhe (>50 mm). Pas dekadash përpjekjesh të vazhdueshme, tregu aktual për vaferat e substratit SiC të rritura me metodën PVT ka qenë shumë i madh, dhe prodhimi vjetor i vaferave me substrate SiC mund të arrijë qindra mijëra vafera dhe madhësia e tij po ndryshon gradualisht nga 4 inç në 6 inç. , dhe ka zhvilluar 8 inç të mostrave të substratit SiC.

 

e pesta,Metoda e depozitimit të avullit kimik në temperaturë të lartë

 

Depozitimi i avullit kimik me temperaturë të lartë (HTCVD) është një metodë e përmirësuar e bazuar në depozitimin kimik të avullit (CVD). Metoda u propozua për herë të parë në 1995 nga Kordina et al., Linkoping University, Suedi.
Diagrami i strukturës së rritjes është paraqitur në figurë:

Kur kristali SiC rritet me metodën e fazës së lëngshme, temperatura dhe shpërndarja e konvekcionit brenda tretësirës ndihmëse tregohen në figurë:

Mund të shihet se temperatura pranë murit të krusit në tretësirën ndihmëse është më e lartë, ndërsa temperatura në kristalin e farës është më e ulët. Gjatë procesit të rritjes, kutia e grafitit siguron burimin C për rritjen e kristalit. Për shkak se temperatura në murin e krusit është e lartë, tretshmëria e C është e madhe dhe shkalla e tretjes është e shpejtë, një sasi e madhe e C do të tretet në murin e kallëpit për të formuar një tretësirë ​​të ngopur të C. Këto tretësira me një sasi të madhe e C e tretur do të transportohet në pjesën e poshtme të kristaleve të farës me konvekcion brenda tretësirës ndihmëse. Për shkak të temperaturës së ulët të skajit të kristalit të farës, tretshmëria e C përkatëse zvogëlohet përkatësisht, dhe tretësira origjinale e ngopur me C bëhet një tretësirë ​​e mbingopur e C pasi transferohet në fundin e temperaturës së ulët në këtë gjendje. C i mbitaturuar në tretësirë ​​i kombinuar me Si në tretësirë ​​ndihmëse mund të rritet kristal SiC epitaksial në kristalin e farës. Kur pjesa e mbiforuar e C precipiton jashtë, tretësira kthehet në skajin me temperaturë të lartë të murit të kavanozit me konvekcion dhe shpërndan C përsëri për të formuar një tretësirë ​​të ngopur.

I gjithë procesi përsëritet dhe kristali SiC rritet. Në procesin e rritjes së fazës së lëngshme, shpërbërja dhe precipitimi i C në tretësirë ​​është një indeks shumë i rëndësishëm i progresit të rritjes. Në mënyrë që të sigurohet një rritje e qëndrueshme e kristalit, është e nevojshme të ruhet një ekuilibër midis shpërbërjes së C në murin e kryqëzimit dhe reshjeve në fundin e farës. Nëse shpërbërja e C është më e madhe se precipitimi i C, atëherë C në kristal pasurohet gradualisht dhe do të ndodhë bërthamimi spontan i SiC. Nëse shpërbërja e C është më e vogël se reshjet e C, rritja e kristalit do të jetë e vështirë të kryhet për shkak të mungesës së substancës së tretur.
Në të njëjtën kohë, transporti i C me konvekcion gjithashtu ndikon në furnizimin e C gjatë rritjes. Për të rritur kristalet SiC me cilësi mjaft të mirë kristali dhe trashësi të mjaftueshme, është e nevojshme të sigurohet ekuilibri i tre elementëve të mësipërm, gjë që rrit shumë vështirësinë e rritjes së fazës së lëngshme të SiC. Megjithatë, me përmirësimin gradual dhe përmirësimin e teorive dhe teknologjive të lidhura, avantazhet e rritjes së fazës së lëngshme të kristaleve SiC do të shfaqen gradualisht.
Aktualisht, rritja e fazës së lëngshme të kristaleve SiC 2 inç mund të arrihet në Japoni, dhe rritja e fazës së lëngshme të kristaleve 4 inç është gjithashtu duke u zhvilluar. Aktualisht, hulumtimet përkatëse vendore nuk kanë parë rezultate të mira dhe është e nevojshme të vazhdohet puna kërkimore përkatëse.

 

E shtata, Vetitë fizike dhe kimike të kristaleve të SiC

 

(1) Vetitë mekanike: Kristalet SiC kanë fortësi jashtëzakonisht të lartë dhe rezistencë të mirë ndaj konsumit. Fortësia e tij Mohs është midis 9.2 dhe 9.3, dhe fortësia e tij në Krit është midis 2900 dhe 3100 Kg/mm2, e cila është e dyta pas kristaleve të diamantit midis materialeve që janë zbuluar. Për shkak të vetive të shkëlqyera mekanike të SiC, pluhuri SiC përdoret shpesh në industrinë e prerjes ose bluarjes, me një kërkesë vjetore deri në miliona tonë. Veshja rezistente ndaj konsumit në disa pjesë të punës do të përdorë gjithashtu veshjen SiC, për shembull, veshja rezistente ndaj konsumit në disa anije luftarake është e përbërë nga veshje SiC.

(2) Vetitë termike: përçueshmëria termike e SiC mund të arrijë 3-5 W/cm·K, e cila është 3 herë më e madhe se ajo e gjysmëpërçuesit tradicional Si dhe 8 herë ajo e GaAs. Prodhimi i nxehtësisë i pajisjes së përgatitur nga SiC mund të kryhet shpejt, kështu që kërkesat e kushteve të shpërndarjes së nxehtësisë së pajisjes SiC janë relativisht të lirshme dhe është më e përshtatshme për përgatitjen e pajisjeve me fuqi të lartë. SiC ka veti të qëndrueshme termodinamike. Në kushte normale presioni, SiC do të zbërthehet drejtpërdrejt në avull që përmban Si dhe C në një nivel më të lartë.

(3) Vetitë kimike: SiC ka veti kimike të qëndrueshme, rezistencë të mirë ndaj korrozionit dhe nuk reagon me ndonjë acid të njohur në temperaturën e dhomës. SiC i vendosur në ajër për një kohë të gjatë do të formojë ngadalë një shtresë të hollë SiO2 të dendur, duke parandaluar reaksionet e mëtejshme të oksidimit. Kur temperatura rritet në më shumë se 1700℃, shtresa e hollë SiO2 shkrihet dhe oksidohet me shpejtësi. SiC mund t'i nënshtrohet një reaksioni të ngadaltë oksidimi me oksidantë ose baza të shkrirë, dhe vaferat SiC zakonisht gërryhen në KOH të shkrirë dhe Na2O2 për të karakterizuar dislokimin në kristalet SiC.

(4) Vetitë elektrike: SiC si material përfaqësues i gjysmëpërçuesve me brez të gjerë, gjerësia e brezit 6H-SiC dhe 4H-SiC është përkatësisht 3.0 eV dhe 3.2 eV, që është 3 herë më e madhe se Si dhe 2 herë e GaAs. Pajisjet gjysmëpërçuese të bëra nga SiC kanë rrymë më të vogël rrjedhjeje dhe fushë elektrike më të madhe prishjeje, kështu që SiC konsiderohet si një material ideal për pajisjet me fuqi të lartë. Lëvizshmëria e elektroneve të ngopur të SiC është gjithashtu 2 herë më e lartë se ajo e Si, dhe gjithashtu ka avantazhe të dukshme në përgatitjen e pajisjeve me frekuencë të lartë. Kristalet SiC të tipit P ose kristalet SiC të tipit N mund të përftohen duke dopinguar atomet e papastërtive në kristale. Aktualisht, kristalet SiC të tipit P dopingohen kryesisht nga atomet Al, B, Be, O, Ga, Sc dhe ato të tjera, dhe kristalet sic të tipit N janë kryesisht të dopuar nga atomet N. Dallimi i përqendrimit dhe llojit të dopingut do të ketë një ndikim të madh në vetitë fizike dhe kimike të SiC. Në të njëjtën kohë, bartësi i lirë mund të gozhdohet nga dopingu i nivelit të thellë si V, rezistenca mund të rritet dhe mund të merret kristal SiC gjysmë izolues.

(5) Vetitë optike: Për shkak të hendekut relativisht të gjerë të brezit, kristali SiC i papërpunuar është i pangjyrë dhe transparent. Kristalet e dopinguar SiC tregojnë ngjyra të ndryshme për shkak të vetive të tyre të ndryshme, për shembull, 6H-SiC është e gjelbër pas dopingut N; 4H-SiC është kafe. 15R-SiC është e verdhë. I dopuar me Al, 4H-SiC duket blu. Është një metodë intuitive për të dalluar llojin e kristalit SiC duke vëzhguar ndryshimin e ngjyrës. Me kërkimin e vazhdueshëm në fushat që lidhen me SiC në 20 vitet e fundit, janë bërë përparime të mëdha në teknologjitë përkatëse.

 

e teta,Prezantimi i statusit të zhvillimit të SiC

Aktualisht, industria SiC është bërë gjithnjë e më e përsosur, nga vaferat e nënshtresës, vaferat epitaksiale te prodhimi i pajisjes, paketimi, i gjithë zinxhiri industrial është pjekur dhe mund të furnizojë produkte të lidhura me SiC në treg.

Cree është një lider në industrinë e rritjes së kristaleve SiC me një pozitë udhëheqëse si në madhësi ashtu edhe në cilësi të vaferave me substrate SiC. Cree aktualisht prodhon 300,000 çipa të substratit SiC në vit, që përbëjnë më shumë se 80% të dërgesave globale.

Në shtator 2019, Cree njoftoi se do të ndërtojë një objekt të ri në shtetin e Nju Jorkut, SHBA, i cili do të përdorë teknologjinë më të avancuar për të rritur fuqinë me diametër 200 mm dhe vaferat e nënshtresës RF SiC, duke treguar se teknologjia e saj e përgatitjes së materialit të substratit SiC 200 mm ka bëhen më të pjekur.

Aktualisht, produktet kryesore të çipave të substratit SiC në treg janë kryesisht tipe përçues dhe gjysmë të izoluar 4H-SiC dhe 6H-SiC 2-6 inç.
Në tetor 2015, Cree ishte i pari që lançoi vaferat me substrate SiC 200 mm për tipin N dhe LED, duke shënuar fillimin e vaferave me substrate SiC 8 inç në treg.
Në vitin 2016, Romm filloi të sponsorizonte ekipin Venturi dhe ishte i pari që përdori kombinimin IGBT + SiC SBD në makinë për të zëvendësuar zgjidhjen IGBT + Si FRD në inverterin tradicional 200 kW. Pas përmirësimit, pesha e inverterit zvogëlohet me 2 kg dhe madhësia zvogëlohet me 19% duke ruajtur të njëjtën fuqi.

Në vitin 2017, pas miratimit të mëtejshëm të SiC MOS + SiC SBD, jo vetëm që pesha zvogëlohet me 6 kg, madhësia zvogëlohet me 43%, dhe fuqia e inverterit është rritur gjithashtu nga 200 kW në 220 kW.
Pasi Tesla miratoi pajisjet e bazuara në SIC në invertorët kryesorë të makinës së produkteve të saj Model 3 në 2018, efekti i demonstrimit u përforcua me shpejtësi, duke e bërë tregun e automobilave xEV së shpejti një burim emocioni për tregun SiC. Me aplikimin e suksesshëm të SiC, vlera e prodhimit të tregut të lidhur me të është rritur gjithashtu me shpejtësi.

E nënta,konkluzioni:

Me përmirësimin e vazhdueshëm të teknologjive të industrisë të lidhura me SiC, rendimenti dhe besueshmëria e tij do të përmirësohen më tej, çmimi i pajisjeve SiC do të ulet gjithashtu dhe konkurrueshmëria e tregut të SiC do të jetë më e dukshme. Në të ardhmen, pajisjet SiC do të përdoren më gjerësisht në fusha të ndryshme si automobilat, komunikimet, rrjetet e energjisë elektrike dhe transporti, dhe tregu i produkteve do të jetë më i gjerë dhe madhësia e tregut do të zgjerohet më tej, duke u bërë një mbështetje e rëndësishme për kombëtaren. ekonomisë.