Cuatro, Método de transferencia física de vapor.
El método de transporte físico de vapor (PVT) se originó a partir de la tecnología de sublimación en fase de vapor inventada por Lely en 1955. El polvo de SiC se coloca en un tubo de grafito y se calienta a alta temperatura para descomponer y sublimar el polvo de SiC, y luego se enfría el tubo de grafito. Después de la descomposición del polvo de SiC, los componentes de la fase de vapor se depositan y cristalizan en cristales de SiC alrededor del tubo de grafito. Aunque este método es difícil de obtener monocristales de SiC de gran tamaño y el proceso de deposición en el tubo de grafito es difícil de controlar, proporciona ideas para investigadores posteriores.
Ym Terairov et al. En Rusia se introdujo el concepto de cristales semilla sobre esta base y se resolvió el problema de la forma incontrolable de los cristales y la posición de nucleación de los cristales de SiC. Los investigadores posteriores continuaron mejorando y finalmente desarrollaron el método de transporte físico en fase gaseosa (PVT) que se utiliza actualmente en la industria.
Como el primer método de crecimiento de cristales de SiC, el método de transferencia física de vapor es el método de crecimiento más utilizado para el crecimiento de cristales de SiC. En comparación con otros métodos, el método tiene bajos requisitos de equipo de crecimiento, un proceso de crecimiento simple, una gran controlabilidad, un desarrollo e investigación exhaustivos y ha logrado una aplicación industrial. En la figura se muestra la estructura del cristal cultivado mediante el método PVT convencional actual.
Los campos de temperatura axial y radial se pueden controlar controlando las condiciones de aislamiento térmico externo del crisol de grafito. El polvo de SiC se coloca en el fondo del crisol de grafito con una temperatura más alta y el cristal semilla de SiC se fija en la parte superior del crisol de grafito con una temperatura más baja. La distancia entre el polvo y la semilla generalmente se controla para que sea de decenas de milímetros para evitar el contacto entre el monocristal en crecimiento y el polvo. El gradiente de temperatura suele estar en el rango de 15-35 ℃/cm. En el horno se mantiene un gas inerte de 50 a 5000 Pa para aumentar la convección. De esta manera, después de calentar el polvo de SiC a 2000-2500 ℃ mediante calentamiento por inducción, el polvo de SiC se sublimará y descompondrá en Si, Si2C, SiC2 y otros componentes de vapor, y será transportado al extremo de la semilla con convección de gas, y el El cristal de SiC se cristaliza en el cristal semilla para lograr el crecimiento de un solo cristal. Su tasa de crecimiento típica es de 0,1 a 2 mm/h.
El proceso PVT se centra en el control de la temperatura de crecimiento, el gradiente de temperatura, la superficie de crecimiento, el espaciado de la superficie del material y la presión de crecimiento. Su ventaja es que su proceso es relativamente maduro, las materias primas son fáciles de producir, el costo es bajo, pero el proceso de crecimiento de El método PVT es difícil de observar, la tasa de crecimiento de los cristales es de 0,2-0,4 mm/h, es difícil hacer crecer cristales con un espesor grande (>50 mm). Después de décadas de esfuerzos continuos, el mercado actual de obleas de sustrato de SiC cultivadas mediante el método PVT ha sido muy grande, y la producción anual de obleas de sustrato de SiC puede alcanzar cientos de miles de obleas, y su tamaño está cambiando gradualmente de 4 pulgadas a 6 pulgadas. y ha desarrollado 8 pulgadas de muestras de sustrato de SiC.
Quinto,Método de deposición química de vapor a alta temperatura.
La deposición química de vapor a alta temperatura (HTCVD) es un método mejorado basado en la deposición química de vapor (CVD). El método fue propuesto por primera vez en 1995 por Kordina et al., de la Universidad de Linkoping, Suecia.
El diagrama de estructura de crecimiento se muestra en la figura:
Los campos de temperatura axial y radial se pueden controlar controlando las condiciones de aislamiento térmico externo del crisol de grafito. El polvo de SiC se coloca en el fondo del crisol de grafito con una temperatura más alta y el cristal semilla de SiC se fija en la parte superior del crisol de grafito con una temperatura más baja. La distancia entre el polvo y la semilla generalmente se controla para que sea de decenas de milímetros para evitar el contacto entre el monocristal en crecimiento y el polvo. El gradiente de temperatura suele estar en el rango de 15-35 ℃/cm. En el horno se mantiene un gas inerte de 50 a 5000 Pa para aumentar la convección. De esta manera, después de calentar el polvo de SiC a 2000-2500 ℃ mediante calentamiento por inducción, el polvo de SiC se sublimará y descompondrá en Si, Si2C, SiC2 y otros componentes de vapor, y será transportado al extremo de la semilla con convección de gas, y el El cristal de SiC se cristaliza en el cristal semilla para lograr el crecimiento de un solo cristal. Su tasa de crecimiento típica es de 0,1 a 2 mm/h.
El proceso PVT se centra en el control de la temperatura de crecimiento, el gradiente de temperatura, la superficie de crecimiento, el espaciado de la superficie del material y la presión de crecimiento. Su ventaja es que su proceso es relativamente maduro, las materias primas son fáciles de producir, el costo es bajo, pero el proceso de crecimiento de El método PVT es difícil de observar, la tasa de crecimiento de los cristales es de 0,2-0,4 mm/h, es difícil hacer crecer cristales con un espesor grande (>50 mm). Después de décadas de esfuerzos continuos, el mercado actual de obleas de sustrato de SiC cultivadas mediante el método PVT ha sido muy grande, y la producción anual de obleas de sustrato de SiC puede alcanzar cientos de miles de obleas, y su tamaño está cambiando gradualmente de 4 pulgadas a 6 pulgadas. y ha desarrollado 8 pulgadas de muestras de sustrato de SiC.
Quinto,Método de deposición química de vapor a alta temperatura.
La deposición química de vapor a alta temperatura (HTCVD) es un método mejorado basado en la deposición química de vapor (CVD). El método fue propuesto por primera vez en 1995 por Kordina et al., de la Universidad de Linkoping, Suecia.
El diagrama de estructura de crecimiento se muestra en la figura:
Cuando el cristal de SiC crece mediante el método de fase líquida, la temperatura y la distribución de convección dentro de la solución auxiliar se muestran en la figura:
Se puede observar que la temperatura cerca de la pared del crisol en la solución auxiliar es mayor, mientras que la temperatura en el cristal semilla es menor. Durante el proceso de crecimiento, el crisol de grafito proporciona una fuente de C para el crecimiento de los cristales. Debido a que la temperatura en la pared del crisol es alta, la solubilidad del C es grande y la velocidad de disolución es rápida, se disolverá una gran cantidad de C en la pared del crisol para formar una solución saturada de C. Estas soluciones con una gran cantidad de C disuelto será transportado a la parte inferior de los cristales semilla por convección dentro de la solución auxiliar. Debido a la baja temperatura del extremo del cristal semilla, la solubilidad del C correspondiente disminuye correspondientemente y la solución saturada de C original se convierte en una solución sobresaturada de C después de transferirse al extremo de baja temperatura en esta condición. El C suprasaturado en solución combinado con Si en solución auxiliar puede hacer crecer cristales de SiC epitaxiales en cristales semilla. Cuando la parte superperforada de C precipita, la solución regresa al extremo de alta temperatura de la pared del crisol con convección y disuelve C nuevamente para formar una solución saturada.
Todo el proceso se repite y el cristal de SiC crece. En el proceso de crecimiento en fase líquida, la disolución y precipitación de C en solución es un índice muy importante del progreso del crecimiento. Para asegurar un crecimiento estable de los cristales, es necesario mantener un equilibrio entre la disolución de C en la pared del crisol y la precipitación en el extremo de la semilla. Si la disolución de C es mayor que la precipitación de C, entonces el C en el cristal se enriquece gradualmente y se producirá la nucleación espontánea de SiC. Si la disolución de C es menor que la precipitación de C, el crecimiento del cristal será difícil de llevar a cabo debido a la falta de soluto.
Al mismo tiempo, el transporte de C por convección también afecta el suministro de C durante el crecimiento. Para hacer crecer cristales de SiC con una calidad cristalina suficientemente buena y un espesor suficiente, es necesario garantizar el equilibrio de los tres elementos anteriores, lo que aumenta en gran medida la dificultad del crecimiento de la fase líquida de SiC. Sin embargo, con la mejora gradual de las teorías y tecnologías relacionadas, las ventajas del crecimiento en fase líquida de los cristales de SiC se mostrarán gradualmente.
Actualmente, el crecimiento en fase líquida de cristales de SiC de 2 pulgadas se puede lograr en Japón, y también se está desarrollando el crecimiento en fase líquida de cristales de 4 pulgadas. En la actualidad, la investigación nacional relevante no ha obtenido buenos resultados y es necesario dar seguimiento al trabajo de investigación relevante.
Séptimo, Propiedades físicas y químicas de los cristales de SiC.
(1) Propiedades mecánicas: los cristales de SiC tienen una dureza extremadamente alta y buena resistencia al desgaste. Su dureza Mohs está entre 9,2 y 9,3, y su dureza Krit está entre 2900 y 3100 kg/mm2, que es superada sólo por los cristales de diamante entre los materiales descubiertos. Debido a las excelentes propiedades mecánicas del SiC, el SiC en polvo se utiliza a menudo en la industria del corte o rectificado, con una demanda anual de hasta millones de toneladas. El revestimiento resistente al desgaste de algunas piezas de trabajo también utilizará revestimiento de SiC, por ejemplo, el revestimiento resistente al desgaste de algunos buques de guerra está compuesto de revestimiento de SiC.
(2) Propiedades térmicas: la conductividad térmica del SiC puede alcanzar 3-5 W/cm·K, que es 3 veces mayor que la del semiconductor tradicional Si y 8 veces mayor que la del GaAs. La producción de calor del dispositivo preparado por SiC se puede eliminar rápidamente, por lo que los requisitos de las condiciones de disipación de calor del dispositivo de SiC son relativamente flexibles y es más adecuado para la preparación de dispositivos de alta potencia. El SiC tiene propiedades termodinámicas estables. En condiciones de presión normales, el SiC se descompondrá directamente en vapor que contiene Si y C a temperaturas más altas..
(3) Propiedades químicas: el SiC tiene propiedades químicas estables, buena resistencia a la corrosión y no reacciona con ningún ácido conocido a temperatura ambiente. El SiC colocado en el aire durante mucho tiempo formará lentamente una fina capa de SiO2 denso, evitando nuevas reacciones de oxidación. Cuando la temperatura sube a más de 1700 ℃, la fina capa de SiO2 se derrite y se oxida rápidamente. El SiC puede sufrir una reacción de oxidación lenta con oxidantes o bases fundidos, y las obleas de SiC generalmente se corroen en KOH y Na2O2 fundidos para caracterizar la dislocación en los cristales de SiC..
(4) Propiedades eléctricas: el SiC como material representativo de los semiconductores de banda prohibida ancha, los anchos de banda prohibida de 6H-SiC y 4H-SiC son 3,0 eV y 3,2 eV respectivamente, que es 3 veces mayor que el del Si y 2 veces mayor que el del GaAs. Los dispositivos semiconductores fabricados de SiC tienen una corriente de fuga menor y un campo eléctrico de ruptura mayor, por lo que el SiC se considera un material ideal para dispositivos de alta potencia. La movilidad de electrones saturados del SiC también es 2 veces mayor que la del Si, y también tiene ventajas obvias en la preparación de dispositivos de alta frecuencia. Los cristales de SiC de tipo P o los cristales de SiC de tipo N se pueden obtener dopando los átomos de impureza en los cristales. En la actualidad, los cristales de SiC de tipo P están dopados principalmente con Al, B, Be, O, Ga, Sc y otros átomos, y los cristales de sic de tipo N están dopados principalmente con átomos de N. La diferencia de concentración y tipo de dopaje tendrá un gran impacto en las propiedades físicas y químicas del SiC. Al mismo tiempo, el portador libre se puede clavar mediante un dopaje de nivel profundo como V, se puede aumentar la resistividad y se puede obtener el cristal de SiC semiaislante.
(5) Propiedades ópticas: debido a la banda prohibida relativamente amplia, el cristal de SiC sin dopar es incoloro y transparente. Los cristales de SiC dopados muestran diferentes colores debido a sus diferentes propiedades, por ejemplo, 6H-SiC es verde después del dopado con N; El 4H-SiC es marrón. El 15R-SiC es amarillo. Dopado con Al, el 4H-SiC aparece azul. Es un método intuitivo para distinguir el tipo de cristal de SiC observando la diferencia de color. Gracias a la investigación continua en campos relacionados con el SiC en los últimos 20 años, se han logrado grandes avances en tecnologías relacionadas.
Octavo,Introducción del estado de desarrollo de SiC.
En la actualidad, la industria del SiC se ha vuelto cada vez más perfecta, desde las obleas de sustrato, las obleas epitaxiales hasta la producción de dispositivos y el embalaje, toda la cadena industrial ha madurado y puede suministrar al mercado productos relacionados con el SiC.
Cree es líder en la industria del crecimiento de cristales de SiC con una posición de liderazgo tanto en tamaño como en calidad de obleas de sustrato de SiC. Cree produce actualmente 300.000 chips de sustrato de SiC al año, lo que representa más del 80% de los envíos mundiales.
En septiembre de 2019, Cree anunció que construirá una nueva instalación en el estado de Nueva York, EE. UU., que utilizará la tecnología más avanzada para aumentar la potencia de 200 mm de diámetro y las obleas de sustrato de SiC RF, lo que indica que su tecnología de preparación de material de sustrato de SiC de 200 mm tiene llegar a ser más maduro.
En la actualidad, los principales productos de chips de sustrato de SiC en el mercado son principalmente los tipos conductores y semiaislados 4H-SiC y 6H-SiC de 2 a 6 pulgadas.
En octubre de 2015, Cree fue el primero en lanzar obleas de sustrato de SiC de 200 mm para tipo N y LED, lo que marcó el comienzo de la llegada al mercado de obleas de sustrato de SiC de 8 pulgadas.
En 2016, Romm comenzó a patrocinar al equipo Venturi y fue el primero en utilizar la combinación IGBT + SiC SBD en el coche para sustituir la solución IGBT + Si FRD en el inversor tradicional de 200 kW. Tras la mejora, el peso del inversor se reduce en 2 kg y el tamaño se reduce en un 19% manteniendo la misma potencia.
En 2017, después de la adopción adicional de SiC MOS + SiC SBD, no solo el peso se redujo en 6 kg, el tamaño se redujo en un 43% y la potencia del inversor también aumentó de 200 kW a 220 kW.
Después de que Tesla adoptara dispositivos basados en SIC en los principales inversores de sus productos Modelo 3 en 2018, el efecto de demostración se amplificó rápidamente, lo que pronto convirtió al mercado automotriz xEV en una fuente de entusiasmo para el mercado de SiC. Con la aplicación exitosa del SiC, su valor de producción en el mercado relacionado también ha aumentado rápidamente.
Noveno,Conclusión:
Con la mejora continua de las tecnologías industriales relacionadas con el SiC, su rendimiento y confiabilidad mejorarán aún más, el precio de los dispositivos de SiC también se reducirá y la competitividad del mercado del SiC será más obvia. En el futuro, los dispositivos de SiC se utilizarán más ampliamente en diversos campos, como automóviles, comunicaciones, redes eléctricas y transporte, y el mercado de productos será más amplio y el tamaño del mercado se ampliará aún más, convirtiéndose en un soporte importante para el mercado nacional. economía.
Hora de publicación: 25 de enero de 2024