Жаңалықтар - кремний карбидінің құрылымы мен өсу технологиясы (Ⅱ)

Төртіншіден, будың физикалық берілу әдісі

Theфизикалық бу тасымалдау (PVT)әдіс 1955 жылы Лели ойлап тапқан бу фазасын сублимациялау технологиясынан шыққан. SiC ұнтағы графит түтікке салынып, SiC ұнтағын ыдырату және сублимациялау үшін жоғары температураға дейін қыздырылады, содан кейін графит түтігі салқындатылады. SiC ұнтағы ыдырағаннан кейін бу фазасының құрамдастары графит түтігінің айналасындағы SiC кристалдарына шөгіп, кристалданады. Бұл әдіс үлкен өлшемді SiC монокристалдарын алуды қиындатқанымен және графит түтігіндегі тұндыру процесін бақылау қиын болса да, ол кейінгі зерттеушілерге идеялар береді.
Ym Terairov және т.б. Ресейде тұқымдық кристалдар түсінігі осы негізде енгізілді және бақыланбайтын кристалдық пішіні мен SiC кристалдарының ядролық орналасуы мәселесі шешілді. Кейінгі зерттеушілер бүгінгі күні өнеркәсіптік пайдалануда физикалық газ фазалық тасымалдау (PVT) әдісін жетілдіруді жалғастырды және ақырында дамытты.

SiC кристалын өсірудің ең ерте әдісі ретінде будың физикалық әдісі SiC кристалының өсуі үшін ең негізгі өсу әдісі болып табылады. Басқа әдістермен салыстырғанда, әдіс өсу жабдығына, қарапайым өсу процесіне, күшті бақылауға, мұқият әзірлеуге және зерттеуге төмен талаптарға ие және өнеркәсіптік қолдануды жүзеге асырды. Қазіргі негізгі PVT әдісімен өсірілген кристалдың құрылымы суретте көрсетілген.

Осьтік және радиалды температура өрістерін графит тигельдің сыртқы жылу оқшаулау жағдайларын бақылау арқылы басқаруға болады. SiC ұнтағы жоғарырақ температурасы бар графит тигельдің түбіне орналастырылады, ал SiC тұқымдық кристалы графит тигелінің жоғарғы жағында төмен температурада бекітіледі. Ұнтақ пен тұқымның арасындағы қашықтық әдетте өсіп келе жатқан монокристал мен ұнтақ арасындағы жанасуды болдырмау үшін ондаған миллиметр болуы үшін бақыланады. Температура градиенті әдетте 15-35℃/см аралығында болады. Конвекцияны арттыру үшін пеште 50-5000 Па инертті газ ұсталады. Осылайша, SiC ұнтағы индукциялық қыздыру арқылы 2000-2500 ℃ дейін қыздырылғаннан кейін, SiC ұнтағы сублимацияланады және Si, Si2C, SiC2 және басқа бу компоненттеріне ыдырайды және газ конвекциясымен тұқым ұшына тасымалданады, және SiC кристалы монокристалды өсуге қол жеткізу үшін тұқымдық кристалда кристалданады. Оның әдеттегі өсу жылдамдығы 0,1-2 мм/сағ.

PVT процесі өсу температурасын, температура градиентін, өсу бетін, материал бетінің аралығын және өсу қысымын бақылауға бағытталған, оның артықшылығы оның процесі салыстырмалы түрде жетілген, шикізатты өндіру оңай, өзіндік құны төмен, бірақ өсу процесі ПВТ әдісін байқау қиын, кристалдардың өсу жылдамдығы 0,2-0,4 мм/сағ, қалыңдығы үлкен (>50 мм) кристалдарды өсіру қиын. Онжылдық үздіксіз күш-жігерден кейін PVT әдісімен өсірілген SiC субстрат пластинкаларының қазіргі нарығы өте үлкен болды және SiC субстрат пластинкаларының жылдық өнімі жүздеген мың пластинаға жетуі мүмкін және оның өлшемі біртіндеп 4 дюймден 6 дюймге дейін өзгереді. дюйм, және 8 дюймдік SiC субстрат үлгілерін әзірледі.

Бесіншіден, жоғары температурадағы химиялық буларды тұндыру әдісі

Жоғары температурадағы химиялық буларды тұндыру (HTCVD) – химиялық буларды тұндыру (CVD) негізіндегі жетілдірілген әдіс. Әдіс алғаш рет 1995 жылы Кордина және т.б., Линкопинг университеті, Швеция ұсынған.
Өсу құрылымының диаграммасы суретте көрсетілген:

SiC кристалын сұйық фазалық әдіспен өсіргенде, көмекші ерітінді ішіндегі температура мен конвекцияның таралуы суретте көрсетілген:

Көмекші ерітіндідегі тигель қабырғасының жанындағы температура жоғарырақ, ал тұқымдық кристалдағы температура төменірек екенін көруге болады. Өсу процесінде графит тигель кристалдардың өсуі үшін С көзін қамтамасыз етеді. Тигель қабырғасындағы температура жоғары, С ерігіштігі үлкен және еру жылдамдығы жылдам болғандықтан, тигель қабырғасында С көп мөлшерде ерітіліп, С қаныққан ерітіндісі түзіледі. Бұл ерітінділер көп мөлшерде. Көмекші ерітіндінің ішінде конвекция арқылы еріген С тұқымдық кристалдардың төменгі бөлігіне тасымалданады. Тұқымның кристалдық ұшының төмен температурасына байланысты сәйкес С-ның ерігіштігі сәйкесінше төмендейді және бастапқы С-қаныққан ерітінді осы жағдайда төмен температуралы ұшына ауыстырылғаннан кейін С-ның аса қаныққан ерітіндісіне айналады. Көмекші ерітіндідегі Si-мен біріктірілген ерітіндідегі аса қаныққан С тұқымдық кристалда SiC кристалының эпитаксиалды өсуі мүмкін. С-ның тесілген бөлігі тұнбаға түскенде, ерітінді конвекциямен тигель қабырғасының жоғары температуралы ұшына оралады және қаныққан ерітінді түзу үшін С-ны қайтадан ерітеді.

Бүкіл процесс қайталанады және SiC кристалы өседі. Сұйық фазаның өсу процесінде ерітіндідегі С-ның еруі және тұнбаға түсуі өсу прогресінің өте маңызды көрсеткіші болып табылады. Кристаллдың тұрақты өсуін қамтамасыз ету үшін тигель қабырғасында С-ның еруі мен тұқым ұшындағы жауын-шашын арасындағы тепе-теңдікті сақтау қажет. Егер С-ның еруі С-ның тұнбасынан көп болса, онда кристалдағы С біртіндеп байып, SiC-тің өздігінен нуклеациялануы жүреді. Егер С-ның еруі С-ның тұнбасынан аз болса, еріген заттың жетіспеушілігінен кристалдық өсуді жүзеге асыру қиын болады.
Сонымен бірге С-ның конвекция арқылы тасымалдануы өсу кезіндегі С-ның берілуіне де әсер етеді. Жақсы кристалдық сапасы және жеткілікті қалыңдығы бар SiC кристалдарын өсіру үшін жоғарыда аталған үш элементтің тепе-теңдігін қамтамасыз ету қажет, бұл SiC сұйық фазасының өсуінің қиындығын айтарлықтай арттырады. Дегенмен, байланысты теориялар мен технологиялардың біртіндеп жетілдірілуі мен жетілдірілуімен SiC кристалдарының сұйық фазалық өсуінің артықшылықтары бірте-бірте көрінеді.
Қазіргі уақытта Жапонияда 2 дюймдік SiC кристалдарының сұйық фазасының өсуіне қол жеткізуге болады, сонымен қатар 4 дюймдік кристалдардың сұйық фазасының өсуі де әзірленуде. Қазіргі уақытта тиісті отандық зерттеулер жақсы нәтиже бермей, тиісті зерттеу жұмыстарын жалғастыру қажет.

Жетінші, SiC кристалдарының физикалық және химиялық қасиеттері

(1) Механикалық қасиеттері: SiC кристалдары өте жоғары қаттылық пен жақсы тозуға төзімділікке ие. Оның Mohs қаттылығы 9,2 мен 9,3 арасында, ал Krit қаттылығы 2900 мен 3100 кг/мм2 арасында, бұл табылған материалдардың ішінде алмаз кристалдарынан кейінгі екінші орында. SiC тамаша механикалық қасиеттерінің арқасында ұнтақ SiC жиі кесу немесе ұнтақтау өнеркәсібінде қолданылады, оның жылдық сұранысы миллиондаған тоннаға дейін жетеді. Кейбір дайындамалардағы тозуға төзімді жабын SiC жабынын да пайдаланады, мысалы, кейбір әскери кемелердегі тозуға төзімді жабын SiC жабынынан тұрады.

(2) Жылу қасиеттері: SiC жылу өткізгіштігі 3-5 Вт/см·К жетуі мүмкін, бұл дәстүрлі Si жартылай өткізгішінен 3 есе және GaAs-тен 8 есе көп. SiC арқылы дайындалған құрылғының жылу өндірісі тез арада жойылуы мүмкін, сондықтан SiC құрылғысының жылуды тарату жағдайларының талаптары салыстырмалы түрде бос және ол жоғары қуатты құрылғыларды дайындау үшін қолайлы. SiC тұрақты термодинамикалық қасиеттерге ие. Қалыпты қысым жағдайында SiC тікелей Si және C жоғарырақ болатын буға ыдырайды.

(3) Химиялық қасиеттері: SiC тұрақты химиялық қасиеттерге ие, коррозияға жақсы төзімді және бөлме температурасында белгілі қышқылмен әрекеттеспейді. Ауада ұзақ уақыт бойы орналастырылған SiC баяу тығыз SiO2 жұқа қабатын түзіп, одан әрі тотығу реакцияларының алдын алады. Температура 1700℃-ден жоғары көтерілгенде, SiO2 жұқа қабаты ериді және тез тотығады. SiC балқыған тотықтырғыштармен немесе негіздермен баяу тотығу реакциясына түсуі мүмкін, ал SiC пластиналары әдетте балқытылған KOH және Na2O2-де SiC кристалдарындағы дислокацияны сипаттау үшін коррозияға ұшырайды.

(4) Электрлік қасиеттері: кең жолақты жартылай өткізгіштердің репрезентативті материалы ретінде SiC, 6H-SiC және 4H-SiC диапазонының ені сәйкесінше 3,0 эВ және 3,2 эВ, бұл Si-ден 3 есе және GaAs-тен 2 есе. SiC-тен жасалған жартылай өткізгішті құрылғыларда ағып кету токтары азырақ және үлкен бұзылу электр өрістері бар, сондықтан SiC жоғары қуатты құрылғылар үшін тамаша материал болып саналады. SiC-тің қаныққан электронды қозғалғыштығы да Si-ге қарағанда 2 есе жоғары, сонымен қатар оның жоғары жиілікті құрылғыларды дайындауда айқын артықшылықтары бар. P-типті SiC кристалдарын немесе N-типті SiC кристалдарын кристалдардағы қоспа атомдарын легирлеу арқылы алуға болады. Қазіргі уақытта P типті SiC кристалдары негізінен Al, B, Be, O, Ga, Sc және басқа атомдармен, ал N типті sic кристалдары негізінен N атомдарымен легирленген. Допинг концентрациясы мен түріндегі айырмашылық SiC физикалық және химиялық қасиеттеріне үлкен әсер етеді. Сонымен қатар, бос тасушыны V сияқты терең деңгейлі қоспалау арқылы шегелеуге болады, меншікті кедергіні арттыруға және жартылай оқшаулағыш SiC кристалын алуға болады.

(5) Оптикалық қасиеттер: Салыстырмалы түрде кең жолақ аралығының арқасында қоспасыз SiC кристалы түссіз және мөлдір. Қоспаланған SiC кристалдары әртүрлі қасиеттеріне байланысты әртүрлі түстерді көрсетеді, мысалы, 6H-SiC N қоспасынан кейін жасыл; 4H-SiC қоңыр түсті. 15R-SiC сары түсті. Al қосылған 4H-SiC көк болып көрінеді. Бұл түс айырмашылығын байқау арқылы SiC кристалының түрін ажыратудың интуитивті әдісі. Соңғы 20 жылда SiC-қа қатысты кен орындары бойынша үздіксіз зерттеулердің арқасында байланысты технологияларда үлкен серпілістер жасалды.

Сегізінші, SiC даму мәртебесін енгізу

Қазіргі уақытта SiC өнеркәсібі субстрат пластинкаларынан, барған сайын жетілдірілді.жәнеэпитаксиалдывафлиҚұрылғыны өндіруге және орауышқа дейін бүкіл өнеркәсіптік тізбек жетілді және ол нарыққа SiC қатысты өнімдерді жеткізе алады.

Cree SiC субстрат пластинкаларының өлшемі мен сапасы бойынша жетекші позициясы бар SiC кристалды өсіру индустриясының көшбасшысы болып табылады. Қазіргі уақытта Cree жылына 300 000 SiC субстрат чиптерін шығарады, бұл жаһандық жөнелтілімдердің 80% -дан астамын құрайды.

2019 жылдың қыркүйегінде Кри Нью-Йорк штатында, АҚШ-та диаметрі 200 мм қуатты және РЖ SiC субстрат пластинасын өсіру үшін ең озық технологияны қолданатын жаңа нысанды салатынын хабарлады, бұл оның 200 мм SiC субстрат материалын дайындау технологиясы бар екенін көрсетеді. неғұрлым жетілген.

Қазіргі уақытта нарықтағы SiC субстрат чиптерінің негізгі өнімдері негізінен 2-6 дюймдік 4H-SiC және 6H-SiC өткізгіш және жартылай оқшауланған түрлері болып табылады.
2015 жылдың қазан айында Cree нарықта 8 дюймдік SiC субстрат пластинкаларының басталуын белгілеп, N-типті және жарықдиодты үшін 200 мм SiC субстрат пластинкаларын бірінші болып шығарды.
2016 жылы Ромм Venturi командасына демеушілік жасай бастады және дәстүрлі 200 кВт инвертордағы IGBT + Si FRD шешімін ауыстыру үшін автомобильде IGBT + SiC SBD комбинациясын бірінші болып пайдаланды. Жақсартудан кейін инвертордың салмағы бірдей қуатты сақтай отырып, 2 кг-ға азаяды және өлшемі 19% -ға азаяды.

2017 жылы SiC MOS + SiC SBD одан әрі қабылданғаннан кейін салмағы 6 кг-ға азайып қана қоймай, өлшемі 43% -ға азайып, инвертор қуаты да 200 кВт-тан 220 кВт-қа дейін өсті.
Tesla 2018 жылы өзінің 3 моделі өнімдерінің негізгі жетек инверторларында SIC негізіндегі құрылғыларды қабылдағаннан кейін демонстрациялық әсер тез күшейіп, xEV автомобиль нарығын көп ұзамай SiC нарығы үшін толқудың көзіне айналдырды. SiC сәтті қолданылуымен оның нарықтық өнімінің құны да тез өсті.

Тоғызыншы, Қорытынды:

SiC қатысты салалық технологиялардың үздіксіз жетілдірілуімен оның өнімділігі мен сенімділігі одан әрі жақсарады, SiC құрылғыларының бағасы да төмендейді және SiC нарықтағы бәсекеге қабілеттілігі айқынырақ болады. Болашақта SiC құрылғылары автомобиль, байланыс, электр желілері және көлік сияқты әртүрлі салаларда кеңінен қолданылады және өнім нарығы кеңейеді және нарық көлемі одан әрі кеңейіп, ұлттық маңызды қолдауға айналады. экономика.