Keempat, Kaedah pemindahan wap fizikal
Kaedah pengangkutan wap fizikal (PVT) berasal daripada teknologi pemejalwapan fasa wap yang dicipta oleh Lely pada tahun 1955. Serbuk SiC diletakkan di dalam tiub grafit dan dipanaskan pada suhu tinggi untuk mengurai dan menyublimkan serbuk SiC, dan kemudian tiub grafit disejukkan.Selepas penguraian serbuk SiC, komponen fasa wap dimendapkan dan dihablurkan ke dalam hablur SiC di sekeliling tiub grafit.Walaupun kaedah ini sukar untuk mendapatkan kristal tunggal SiC bersaiz besar, dan proses pemendapan dalam tiub grafit sukar dikawal, ia memberikan idea untuk penyelidik seterusnya.
Ym Terairov et al.di Rusia memperkenalkan konsep kristal benih atas dasar ini, dan menyelesaikan masalah bentuk kristal yang tidak terkawal dan kedudukan nukleasi kristal SiC.Penyelidik seterusnya terus menambah baik dan akhirnya membangunkan kaedah pengangkutan fasa gas fizikal (PVT) dalam kegunaan industri hari ini.
Sebagai kaedah pertumbuhan kristal SiC yang terawal, kaedah pemindahan wap fizikal adalah kaedah pertumbuhan paling utama untuk pertumbuhan kristal SiC.Berbanding dengan kaedah lain, kaedah ini mempunyai keperluan yang rendah untuk peralatan pertumbuhan, proses pertumbuhan yang mudah, kebolehkawalan yang kuat, pembangunan dan penyelidikan yang menyeluruh, dan telah merealisasikan aplikasi industri.Struktur kristal yang ditanam oleh kaedah PVT arus perdana ditunjukkan dalam rajah.
Medan suhu paksi dan jejarian boleh dikawal dengan mengawal keadaan penebat haba luaran pijar grafit.Serbuk SiC diletakkan di bahagian bawah mangkuk grafit dengan suhu yang lebih tinggi, dan hablur benih SiC dipasang di bahagian atas mangkuk grafit dengan suhu yang lebih rendah.Jarak antara serbuk dan benih secara amnya dikawal berpuluh-puluh milimeter untuk mengelakkan sentuhan antara kristal tunggal yang semakin meningkat dan serbuk.Kecerunan suhu biasanya dalam julat 15-35 ℃/cm.Gas lengai 50-5000 Pa disimpan di dalam relau untuk meningkatkan perolakan.Dengan cara ini, selepas serbuk SiC dipanaskan hingga 2000-2500 ℃ dengan pemanasan aruhan, serbuk SiC akan menyublim dan terurai menjadi Si, Si2C, SiC2 dan komponen wap lain, dan diangkut ke hujung benih dengan perolakan gas, dan Kristal SiC dihablurkan pada kristal benih untuk mencapai pertumbuhan kristal tunggal.Kadar pertumbuhan biasa ialah 0.1-2mm/j.
Proses PVT memberi tumpuan kepada kawalan suhu pertumbuhan, kecerunan suhu, permukaan pertumbuhan, jarak permukaan bahan dan tekanan pertumbuhan, kelebihannya ialah prosesnya agak matang, bahan mentah mudah dihasilkan, kosnya rendah, tetapi proses pertumbuhan Kaedah PVT sukar untuk diperhatikan, kadar pertumbuhan kristal 0.2-0.4mm/j, sukar untuk menumbuhkan kristal dengan ketebalan yang besar (>50mm).Selepas beberapa dekad usaha berterusan, pasaran semasa untuk wafer substrat SiC yang ditanam dengan kaedah PVT adalah sangat besar, dan pengeluaran tahunan wafer substrat SiC boleh mencapai ratusan ribu wafer, dan saiznya berubah secara beransur-ansur dari 4 inci kepada 6 inci , dan telah membangunkan 8 inci sampel substrat SiC.
Kelima,Kaedah pemendapan wap kimia suhu tinggi
Pemendapan Wap Kimia Suhu Tinggi (HTCVD) ialah kaedah yang dipertingkatkan berdasarkan Pemendapan Wap Kimia (CVD).Kaedah ini mula dicadangkan pada tahun 1995 oleh Kordina et al., Universiti Linkoping, Sweden.
Rajah struktur pertumbuhan ditunjukkan dalam rajah:
Medan suhu paksi dan jejarian boleh dikawal dengan mengawal keadaan penebat haba luaran pijar grafit.Serbuk SiC diletakkan di bahagian bawah mangkuk grafit dengan suhu yang lebih tinggi, dan hablur benih SiC dipasang di bahagian atas mangkuk grafit dengan suhu yang lebih rendah.Jarak antara serbuk dan benih secara amnya dikawal berpuluh-puluh milimeter untuk mengelakkan sentuhan antara kristal tunggal yang semakin meningkat dan serbuk.Kecerunan suhu biasanya dalam julat 15-35 ℃/cm.Gas lengai 50-5000 Pa disimpan di dalam relau untuk meningkatkan perolakan.Dengan cara ini, selepas serbuk SiC dipanaskan hingga 2000-2500 ℃ dengan pemanasan aruhan, serbuk SiC akan menyublim dan terurai menjadi Si, Si2C, SiC2 dan komponen wap lain, dan diangkut ke hujung benih dengan perolakan gas, dan Kristal SiC dihablurkan pada kristal benih untuk mencapai pertumbuhan kristal tunggal.Kadar pertumbuhan biasa ialah 0.1-2mm/j.
Proses PVT memberi tumpuan kepada kawalan suhu pertumbuhan, kecerunan suhu, permukaan pertumbuhan, jarak permukaan bahan dan tekanan pertumbuhan, kelebihannya ialah prosesnya agak matang, bahan mentah mudah dihasilkan, kosnya rendah, tetapi proses pertumbuhan Kaedah PVT sukar untuk diperhatikan, kadar pertumbuhan kristal 0.2-0.4mm/j, sukar untuk menumbuhkan kristal dengan ketebalan yang besar (>50mm).Selepas beberapa dekad usaha berterusan, pasaran semasa untuk wafer substrat SiC yang ditanam dengan kaedah PVT adalah sangat besar, dan pengeluaran tahunan wafer substrat SiC boleh mencapai ratusan ribu wafer, dan saiznya berubah secara beransur-ansur dari 4 inci kepada 6 inci , dan telah membangunkan 8 inci sampel substrat SiC.
Kelima,Kaedah pemendapan wap kimia suhu tinggi
Pemendapan Wap Kimia Suhu Tinggi (HTCVD) ialah kaedah yang dipertingkatkan berdasarkan Pemendapan Wap Kimia (CVD).Kaedah ini mula dicadangkan pada tahun 1995 oleh Kordina et al., Universiti Linkoping, Sweden.
Rajah struktur pertumbuhan ditunjukkan dalam rajah:
Apabila kristal SiC ditanam dengan kaedah fasa cecair, taburan suhu dan perolakan di dalam larutan tambahan ditunjukkan dalam rajah:
Ia boleh dilihat bahawa suhu berhampiran dinding pijar dalam larutan tambahan adalah lebih tinggi, manakala suhu pada kristal benih adalah lebih rendah.Semasa proses pertumbuhan, mangkuk grafit menyediakan sumber C untuk pertumbuhan kristal.Oleh kerana suhu pada dinding pijar adalah tinggi, keterlarutan C adalah besar, dan kadar pembubaran adalah cepat, sejumlah besar C akan dibubarkan pada dinding pijar untuk membentuk larutan tepu C. Larutan ini dengan jumlah yang besar C terlarut akan diangkut ke bahagian bawah hablur benih secara perolakan dalam larutan tambahan.Disebabkan oleh suhu rendah hujung hablur benih, keterlarutan C yang sepadan berkurangan bersamaan, dan larutan tepu C asal menjadi larutan supertepu C selepas dipindahkan ke hujung suhu rendah di bawah keadaan ini.Suprataturasi C dalam larutan digabungkan dengan Si dalam larutan tambahan boleh menumbuhkan kristal SiC epitaxial pada kristal benih.Apabila bahagian superforated C memendakan keluar, larutan kembali ke hujung suhu tinggi dinding pijar dengan perolakan, dan melarutkan C semula untuk membentuk larutan tepu.
Seluruh proses berulang, dan kristal SiC tumbuh.Dalam proses pertumbuhan fasa cecair, pembubaran dan pemendakan C dalam larutan adalah indeks kemajuan pertumbuhan yang sangat penting.Untuk memastikan pertumbuhan kristal yang stabil, adalah perlu untuk mengekalkan keseimbangan antara pelarutan C pada dinding pijar dan pemendakan di hujung benih.Jika pelarutan C lebih besar daripada pemendakan C, maka C dalam kristal diperkaya secara beransur-ansur, dan nukleasi spontan SiC akan berlaku.Jika pelarutan C kurang daripada kerpasan C, pertumbuhan hablur akan sukar dijalankan kerana kekurangan zat terlarut.
Pada masa yang sama, pengangkutan C secara perolakan juga mempengaruhi bekalan C semasa pertumbuhan.Untuk mengembangkan kristal SiC dengan kualiti kristal yang cukup baik dan ketebalan yang mencukupi, adalah perlu untuk memastikan keseimbangan ketiga-tiga elemen di atas, yang sangat meningkatkan kesukaran pertumbuhan fasa cecair SiC.Walau bagaimanapun, dengan peningkatan beransur-ansur dan penambahbaikan teori dan teknologi yang berkaitan, kelebihan pertumbuhan fasa cecair kristal SiC akan ditunjukkan secara beransur-ansur.
Pada masa ini, pertumbuhan fasa cecair bagi kristal SiC 2 inci boleh dicapai di Jepun, dan pertumbuhan fasa cecair bagi kristal 4 inci juga sedang dibangunkan.Pada masa ini, penyelidikan domestik yang berkaitan belum menunjukkan hasil yang baik, dan adalah perlu untuk membuat susulan kerja penyelidikan yang berkaitan.
Ketujuh, Sifat fizikal dan kimia kristal SiC
(1) Sifat mekanikal: Kristal SiC mempunyai kekerasan yang sangat tinggi dan rintangan haus yang baik.Kekerasan Mohsnya adalah antara 9.2 dan 9.3, dan kekerasan Kritnya adalah antara 2900 dan 3100Kg/mm2, yang kedua selepas kristal berlian antara bahan yang telah ditemui.Oleh kerana sifat mekanikal SiC yang sangat baik, serbuk SiC sering digunakan dalam industri pemotongan atau pengisaran, dengan permintaan tahunan sehingga berjuta-juta tan.Salutan tahan haus pada sesetengah bahan kerja juga akan menggunakan salutan SiC, contohnya, salutan tahan haus pada beberapa kapal perang terdiri daripada salutan SiC.
(2) Sifat terma: kekonduksian terma SiC boleh mencapai 3-5 W/cm·K, iaitu 3 kali ganda daripada semikonduktor tradisional Si dan 8 kali ganda daripada GaAs.Pengeluaran haba peranti yang disediakan oleh SiC boleh dikendalikan dengan cepat, jadi keperluan keadaan pelesapan haba peranti SiC agak longgar, dan ia lebih sesuai untuk penyediaan peranti berkuasa tinggi.SiC mempunyai sifat termodinamik yang stabil.Di bawah keadaan tekanan biasa, SiC akan terurai terus menjadi wap yang mengandungi Si dan C pada lebih tinggi.
(3) Sifat kimia: SiC mempunyai sifat kimia yang stabil, rintangan kakisan yang baik, dan tidak bertindak balas dengan mana-mana asid yang diketahui pada suhu bilik.SiC yang diletakkan di udara untuk masa yang lama perlahan-lahan akan membentuk lapisan nipis SiO2 padat, menghalang tindak balas pengoksidaan selanjutnya.Apabila suhu meningkat kepada lebih daripada 1700 ℃, lapisan nipis SiO2 cair dan teroksida dengan cepat.SiC boleh mengalami tindak balas pengoksidaan perlahan dengan oksidan atau bes cair, dan wafer SiC biasanya terhakis dalam KOH cair dan Na2O2 untuk mencirikan kehelan dalam kristal SiC.
(4) Sifat elektrik: SiC sebagai bahan perwakilan bagi semikonduktor celah jalur lebar, lebar celah jalur 6H-SiC dan 4H-SiC masing-masing ialah 3.0 eV dan 3.2 eV, iaitu 3 kali ganda lebar Si dan 2 kali ganda GaAs.Peranti separa konduktor yang diperbuat daripada SiC mempunyai arus bocor yang lebih kecil dan medan elektrik pecahan yang lebih besar, jadi SiC dianggap sebagai bahan yang sesuai untuk peranti berkuasa tinggi.Mobiliti elektron tepu SiC juga 2 kali lebih tinggi daripada Si, dan ia juga mempunyai kelebihan yang jelas dalam penyediaan peranti frekuensi tinggi.Hablur SiC jenis-P atau kristal SiC jenis-N boleh diperolehi dengan mendopan atom-atom kekotoran dalam kristal.Pada masa ini, kristal SiC jenis P kebanyakannya didop oleh Al, B, Be, O, Ga, Sc dan atom lain, dan kristal sic jenis N kebanyakannya didop oleh atom N.Perbezaan kepekatan dan jenis doping akan memberi kesan yang besar terhadap sifat fizikal dan kimia SiC.Pada masa yang sama, pembawa bebas boleh dipaku oleh doping tahap dalam seperti V, rintangan boleh ditingkatkan, dan kristal SiC separa penebat boleh diperolehi.
(5) Sifat optik: Disebabkan oleh jurang jalur yang agak lebar, kristal SiC yang tidak didop adalah tidak berwarna dan lutsinar.Hablur SiC yang didop menunjukkan warna yang berbeza kerana sifatnya yang berbeza, contohnya, 6H-SiC berwarna hijau selepas doping N;4H-SiC berwarna coklat.15R-SiC berwarna kuning.Didop dengan Al, 4H-SiC kelihatan biru.Ia adalah kaedah intuitif untuk membezakan jenis kristal SiC dengan memerhati perbezaan warna.Dengan penyelidikan berterusan mengenai bidang berkaitan SiC dalam tempoh 20 tahun yang lalu, penemuan hebat telah dibuat dalam teknologi berkaitan.
Kelapan,Pengenalan status pembangunan SiC
Pada masa ini, industri SiC telah menjadi semakin sempurna, daripada wafer substrat, wafer epitaxial kepada pengeluaran peranti, pembungkusan, keseluruhan rantaian industri telah matang, dan ia boleh membekalkan produk berkaitan SiC ke pasaran.
Cree ialah peneraju dalam industri pertumbuhan kristal SiC dengan kedudukan utama dalam kedua-dua saiz dan kualiti wafer substrat SiC.Cree kini menghasilkan 300,000 cip substrat SiC setiap tahun, menyumbang lebih daripada 80% penghantaran global.
Pada September 2019, Cree mengumumkan bahawa ia akan membina kemudahan baharu di New York State, Amerika Syarikat, yang akan menggunakan teknologi paling canggih untuk mengembangkan kuasa diameter 200 mm dan wafer substrat RF SiC, menunjukkan bahawa teknologi penyediaan bahan substrat SiC 200 mm mempunyai menjadi lebih matang.
Pada masa ini, produk arus perdana cip substrat SiC di pasaran adalah terutamanya jenis konduktif dan separa terlindung 4H-SiC dan 6H-SiC bersaiz 2-6 inci.
Pada Oktober 2015, Cree adalah yang pertama melancarkan wafer substrat SiC 200 mm untuk jenis N dan LED, menandakan permulaan wafer substrat SiC 8 inci ke pasaran.
Pada 2016, Romm mula menaja pasukan Venturi dan merupakan yang pertama menggunakan kombinasi IGBT + SiC SBD dalam kereta untuk menggantikan penyelesaian IGBT + Si FRD dalam penyongsang 200 kW tradisional.Selepas penambahbaikan, berat penyongsang dikurangkan sebanyak 2 kg dan saiznya dikurangkan sebanyak 19% sambil mengekalkan kuasa yang sama.
Pada tahun 2017, selepas penggunaan lanjut SiC MOS + SiC SBD, bukan sahaja beratnya dikurangkan sebanyak 6 kg, saiznya dikurangkan sebanyak 43%, dan kuasa penyongsang juga meningkat daripada 200 kW kepada 220 kW.
Selepas Tesla menggunakan peranti berasaskan SIC dalam penyongsang pemacu utama produk Model 3nya pada tahun 2018, kesan demonstrasi telah diperkuatkan dengan pantas, menjadikan pasaran automotif xEV tidak lama lagi menjadi sumber keseronokan untuk pasaran SiC.Dengan kejayaan aplikasi SiC, nilai keluaran pasaran berkaitannya juga telah meningkat dengan pesat.
Kesembilan,Kesimpulan:
Dengan penambahbaikan berterusan teknologi industri berkaitan SiC, hasil dan kebolehpercayaannya akan dipertingkatkan lagi, harga peranti SiC juga akan dikurangkan, dan daya saing pasaran SiC akan lebih jelas.Pada masa hadapan, peranti SiC akan digunakan dengan lebih meluas dalam pelbagai bidang seperti kereta, komunikasi, grid kuasa, dan pengangkutan, dan pasaran produk akan lebih luas, dan saiz pasaran akan diperluaskan lagi, menjadi sokongan penting untuk negara. ekonomi.
Masa siaran: Jan-25-2024