Struttura e tecnologia di crescita del carburo di silicio (Ⅱ)

Quarto, Metodo di trasferimento fisico del vapore

Il metodo di trasporto fisico del vapore (PVT) ha origine dalla tecnologia di sublimazione in fase vapore inventata da Lely nel 1955. La polvere di SiC viene collocata in un tubo di grafite e riscaldata ad alta temperatura per decomporre e sublimare la polvere di SiC, quindi il tubo di grafite viene raffreddato. Dopo la decomposizione della polvere di SiC, i componenti in fase vapore vengono depositati e cristallizzati in cristalli di SiC attorno al tubo di grafite. Sebbene questo metodo sia difficile da ottenere cristalli singoli SiC di grandi dimensioni e il processo di deposizione nel tubo di grafite sia difficile da controllare, fornisce idee ai ricercatori successivi.
Ym Terairov et al. in Russia ha introdotto su questa base il concetto di cristalli seme e ha risolto il problema della forma incontrollabile dei cristalli e della posizione di nucleazione dei cristalli di SiC. I ricercatori successivi hanno continuato a migliorare e infine a sviluppare il metodo di trasporto fisico della fase gassosa (PVT) oggi utilizzato a livello industriale.

Essendo il primo metodo di crescita dei cristalli SiC, il metodo di trasferimento fisico del vapore è il metodo di crescita più diffuso per la crescita dei cristalli SiC. Rispetto ad altri metodi, il metodo ha requisiti bassi per le attrezzature di crescita, un processo di crescita semplice, una forte controllabilità, uno sviluppo e una ricerca approfonditi e ha realizzato applicazioni industriali. La struttura del cristallo cresciuto con l'attuale metodo PVT tradizionale è mostrata nella figura.

I campi di temperatura assiale e radiale possono essere controllati controllando le condizioni di isolamento termico esterno del crogiolo di grafite. La polvere di SiC viene posizionata sul fondo del crogiolo di grafite a una temperatura più elevata, mentre il cristallo seme di SiC viene fissato nella parte superiore del crogiolo di grafite a temperatura inferiore. La distanza tra la polvere e il seme è generalmente controllata in decine di millimetri per evitare il contatto tra il monocristallo in crescita e la polvere. Il gradiente di temperatura è solitamente compreso tra 15 e 35 ℃/cm. Nel forno viene mantenuto un gas inerte di 50-5000 Pa per aumentare la convezione. In questo modo, dopo che la polvere di SiC viene riscaldata a 2000-2500 ℃ mediante riscaldamento a induzione, la polvere di SiC sublima e si decompone in Si, Si2C, SiC2 e altri componenti di vapore e viene trasportata all'estremità del seme con convezione del gas e Il cristallo SiC viene cristallizzato sul cristallo seme per ottenere la crescita del cristallo singolo. Il suo tasso di crescita tipico è di 0,1-2 mm/h.

Il processo PVT si concentra sul controllo della temperatura di crescita, del gradiente di temperatura, della superficie di crescita, della spaziatura della superficie del materiale e della pressione di crescita, il suo vantaggio è che il processo è relativamente maturo, le materie prime sono facili da produrre, il costo è basso, ma il processo di crescita di Il metodo PVT è difficile da osservare, velocità di crescita dei cristalli di 0,2-0,4 mm/h, è difficile far crescere cristalli di grande spessore (>50 mm). Dopo decenni di sforzi continui, l'attuale mercato dei wafer di substrato SiC cresciuti con il metodo PVT è stato molto vasto e la produzione annuale di wafer di substrato SiC può raggiungere centinaia di migliaia di wafer e le sue dimensioni stanno gradualmente cambiando da 4 pollici a 6 pollici e ha sviluppato 8 pollici di campioni di substrato SiC.

 

Quinto,Metodo di deposizione chimica da vapore ad alta temperatura

 

La deposizione chimica da vapore ad alta temperatura (HTCVD) è un metodo migliorato basato sulla deposizione chimica da vapore (CVD). Il metodo è stato proposto per la prima volta nel 1995 da Kordina et al., Università di Linkoping, Svezia.
Il diagramma della struttura di crescita è mostrato nella figura:

I campi di temperatura assiale e radiale possono essere controllati controllando le condizioni di isolamento termico esterno del crogiolo di grafite. La polvere di SiC viene posizionata sul fondo del crogiolo di grafite a una temperatura più elevata, mentre il cristallo seme di SiC viene fissato nella parte superiore del crogiolo di grafite a temperatura inferiore. La distanza tra la polvere e il seme è generalmente controllata in decine di millimetri per evitare il contatto tra il monocristallo in crescita e la polvere. Il gradiente di temperatura è solitamente compreso tra 15 e 35 ℃/cm. Nel forno viene mantenuto un gas inerte di 50-5000 Pa per aumentare la convezione. In questo modo, dopo che la polvere di SiC viene riscaldata a 2000-2500 ℃ mediante riscaldamento a induzione, la polvere di SiC sublima e si decompone in Si, Si2C, SiC2 e altri componenti di vapore e viene trasportata all'estremità del seme con convezione del gas e Il cristallo SiC viene cristallizzato sul cristallo seme per ottenere la crescita del cristallo singolo. Il suo tasso di crescita tipico è di 0,1-2 mm/h.

Il processo PVT si concentra sul controllo della temperatura di crescita, del gradiente di temperatura, della superficie di crescita, della spaziatura della superficie del materiale e della pressione di crescita, il suo vantaggio è che il processo è relativamente maturo, le materie prime sono facili da produrre, il costo è basso, ma il processo di crescita di Il metodo PVT è difficile da osservare, velocità di crescita dei cristalli di 0,2-0,4 mm/h, è difficile far crescere cristalli di grande spessore (>50 mm). Dopo decenni di sforzi continui, l'attuale mercato dei wafer di substrato SiC cresciuti con il metodo PVT è stato molto vasto e la produzione annuale di wafer di substrato SiC può raggiungere centinaia di migliaia di wafer e le sue dimensioni stanno gradualmente cambiando da 4 pollici a 6 pollici e ha sviluppato 8 pollici di campioni di substrato SiC.

 

Quinto,Metodo di deposizione chimica da vapore ad alta temperatura

 

La deposizione chimica da vapore ad alta temperatura (HTCVD) è un metodo migliorato basato sulla deposizione chimica da vapore (CVD). Il metodo è stato proposto per la prima volta nel 1995 da Kordina et al., Università di Linkoping, Svezia.
Il diagramma della struttura di crescita è mostrato nella figura:

Quando il cristallo SiC viene coltivato con il metodo della fase liquida, la distribuzione della temperatura e della convezione all'interno della soluzione ausiliaria è mostrata nella figura:

Si può vedere che la temperatura vicino alla parete del crogiolo nella soluzione ausiliaria è più alta, mentre la temperatura sul cristallo seme è più bassa. Durante il processo di crescita, il crogiolo di grafite fornisce la fonte di C per la crescita dei cristalli. Poiché la temperatura sulla parete del crogiolo è elevata, la solubilità di C è elevata e la velocità di dissoluzione è elevata, una grande quantità di C verrà disciolta sulla parete del crogiolo per formare una soluzione satura di C. Queste soluzioni con una grande quantità di C disciolto verrà trasportato nella parte inferiore dei cristalli seme per convezione all'interno della soluzione ausiliaria. A causa della bassa temperatura dell'estremità del cristallo seme, la solubilità del C corrispondente diminuisce corrispondentemente e la soluzione originale satura di C diventa una soluzione sovrasatura di C dopo essere stata trasferita all'estremità a bassa temperatura in questa condizione. Il C soprataturato in soluzione combinato con il Si in soluzione ausiliaria può far crescere il cristallo di SiC epitassiale sul cristallo seme. Quando la parte superforata di C precipita, la soluzione ritorna all'estremità ad alta temperatura della parete del crogiolo per convezione e dissolve nuovamente C per formare una soluzione satura.

L'intero processo si ripete e il cristallo di SiC cresce. Nel processo di crescita in fase liquida, la dissoluzione e la precipitazione del C in soluzione è un indice molto importante del progresso della crescita. Per garantire una crescita stabile dei cristalli, è necessario mantenere un equilibrio tra la dissoluzione del C sulla parete del crogiolo e la precipitazione all'estremità del seme. Se la dissoluzione del C è maggiore della precipitazione del C, allora il C nel cristallo si arricchirà gradualmente e si verificherà la nucleazione spontanea del SiC. Se la dissoluzione del C è inferiore alla precipitazione del C, la crescita dei cristalli sarà difficile a causa della mancanza di soluto.
Allo stesso tempo, il trasporto di C per convezione influenza anche l’apporto di C durante la crescita. Per far crescere cristalli di SiC con una qualità cristallina sufficientemente buona e uno spessore sufficiente, è necessario garantire l'equilibrio dei tre elementi precedenti, il che aumenta notevolmente la difficoltà di crescita della fase liquida del SiC. Tuttavia, con il graduale miglioramento e miglioramento delle teorie e delle tecnologie correlate, i vantaggi della crescita in fase liquida dei cristalli SiC verranno gradualmente mostrati.
Attualmente, la crescita in fase liquida di cristalli SiC da 2 pollici può essere ottenuta in Giappone, ed è in fase di sviluppo anche la crescita in fase liquida di cristalli da 4 pollici. Al momento, la ricerca nazionale in materia non ha ottenuto buoni risultati ed è necessario proseguire il lavoro di ricerca in materia.

 

Settimo, Proprietà fisiche e chimiche dei cristalli di SiC

 

(1) Proprietà meccaniche: i cristalli SiC hanno una durezza estremamente elevata e una buona resistenza all'usura. La sua durezza Mohs è compresa tra 9,2 e 9,3 e la sua durezza Krit è compresa tra 2900 e 3100 Kg/mm2, che è seconda solo ai cristalli di diamante tra i materiali scoperti. Grazie alle eccellenti proprietà meccaniche del SiC, il SiC in polvere viene spesso utilizzato nell'industria del taglio o della rettifica, con una domanda annua fino a milioni di tonnellate. Anche il rivestimento resistente all'usura su alcuni pezzi utilizzerà il rivestimento SiC, ad esempio, il rivestimento resistente all'usura su alcune navi da guerra è composto da rivestimento SiC.

(2) Proprietà termiche: la conduttività termica del SiC può raggiungere 3-5 W/cm·K, ovvero 3 volte quella del tradizionale semiconduttore Si e 8 volte quella del GaAs. La produzione di calore del dispositivo preparato con SiC può essere rapidamente dissipata, quindi i requisiti delle condizioni di dissipazione del calore del dispositivo SiC sono relativamente vaghi ed è più adatto per la preparazione di dispositivi ad alta potenza. Il SiC ha proprietà termodinamiche stabili. In condizioni di pressione normale, il SiC verrà decomposto direttamente in vapore contenente Si e C a un livello superiore.

(3) Proprietà chimiche: il SiC ha proprietà chimiche stabili, buona resistenza alla corrosione e non reagisce con nessun acido noto a temperatura ambiente. Il SiC posto nell'aria per lungo tempo formerà lentamente un sottile strato di SiO2 denso, prevenendo ulteriori reazioni di ossidazione. Quando la temperatura supera i 1700 ℃, lo strato sottile di SiO2 si scioglie e si ossida rapidamente. Il SiC può subire una lenta reazione di ossidazione con ossidanti o basi fusi e i wafer di SiC vengono solitamente corrosi in KOH e Na2O2 fusi per caratterizzare la dislocazione nei cristalli di SiC.

(4) Proprietà elettriche: il SiC come materiale rappresentativo di semiconduttori con ampio gap di banda, le larghezze di bandgap di 6H-SiC e 4H-SiC sono rispettivamente 3,0 eV e 3,2 eV, ovvero 3 volte quella del Si e 2 volte quella del GaAs. I dispositivi semiconduttori realizzati in SiC hanno una corrente di dispersione minore e un campo elettrico di rottura maggiore, quindi il SiC è considerato un materiale ideale per dispositivi ad alta potenza. Anche la mobilità degli elettroni saturi del SiC è 2 volte superiore a quella del Si e presenta anche evidenti vantaggi nella preparazione di dispositivi ad alta frequenza. Cristalli SiC di tipo P o cristalli SiC di tipo N possono essere ottenuti drogando gli atomi di impurità nei cristalli. Allo stato attuale, i cristalli SiC di tipo P sono principalmente drogati da Al, B, Be, O, Ga, Sc e altri atomi, mentre i cristalli SiC di tipo N sono principalmente drogati da atomi di N. La differenza di concentrazione e tipo di drogaggio avrà un grande impatto sulle proprietà fisiche e chimiche del SiC. Allo stesso tempo, il portatore libero può essere inchiodato dal drogaggio a livello profondo come V, la resistività può essere aumentata e si può ottenere il cristallo SiC semi-isolante.

(5) Proprietà ottiche: a causa del gap di banda relativamente ampio, il cristallo SiC non drogato è incolore e trasparente. I cristalli di SiC drogati mostrano colori diversi a causa delle loro diverse proprietà, ad esempio, 6H-SiC è verde dopo il drogaggio con N; 4H-SiC è marrone. 15R-SiC è giallo. Drogato con Al, 4H-SiC appare blu. È un metodo intuitivo per distinguere il tipo di cristallo SiC osservando la differenza di colore. Grazie alla continua ricerca nei campi relativi al SiC negli ultimi 20 anni, sono stati compiuti grandi progressi nelle tecnologie correlate.

 

Ottavo,Introduzione dello stato di sviluppo del SiC

Allo stato attuale, l'industria del SiC è diventata sempre più perfetta, dai wafer di substrato, ai wafer epitassiali fino alla produzione di dispositivi, all'imballaggio, l'intera catena industriale è maturata e può fornire al mercato prodotti correlati al SiC.

Cree è leader nel settore della crescita dei cristalli SiC con una posizione di leadership sia nelle dimensioni che nella qualità dei wafer di substrato SiC. Cree attualmente produce 300.000 chip di substrato SiC all'anno, che rappresentano oltre l'80% delle spedizioni globali.

Nel settembre 2019, Cree ha annunciato che costruirà una nuova struttura nello Stato di New York, negli Stati Uniti, che utilizzerà la tecnologia più avanzata per far crescere wafer di potenza e substrato RF SiC da 200 mm di diametro, indicando che la sua tecnologia di preparazione del materiale del substrato SiC da 200 mm ha diventare più maturo.

Attualmente, i prodotti principali di chip di substrato SiC sul mercato sono principalmente tipi conduttivi e semi-isolati 4H-SiC e 6H-SiC da 2-6 pollici.
Nell'ottobre 2015, Cree è stata la prima a lanciare wafer di substrato SiC da 200 mm per tipo N e LED, segnando l'inizio sul mercato dei wafer di substrato SiC da 8 pollici.
Nel 2016, Romm ha iniziato a sponsorizzare il team Venturi ed è stato il primo a utilizzare la combinazione IGBT + SiC SBD nell'auto per sostituire la soluzione IGBT + Si FRD nel tradizionale inverter da 200 kW. Dopo il miglioramento, il peso dell'inverter si riduce di 2 kg e le dimensioni si riducono del 19% pur mantenendo la stessa potenza.

Nel 2017, dopo l'ulteriore adozione di SiC MOS + SiC SBD, non solo il peso è stato ridotto di 6 kg, ma anche le dimensioni sono state ridotte del 43%, e anche la potenza dell'inverter è aumentata da 200 kW a 220 kW.
Dopo che Tesla ha adottato dispositivi basati su SIC negli inverter principali dei suoi prodotti Model 3 nel 2018, l’effetto dimostrativo è stato rapidamente amplificato, rendendo presto il mercato automobilistico xEV una fonte di entusiasmo per il mercato SiC. Con il successo dell’applicazione del SiC, anche il relativo valore della produzione di mercato è aumentato rapidamente.

Nono,Conclusione:

Con il continuo miglioramento delle tecnologie industriali legate al SiC, la sua resa e affidabilità saranno ulteriormente migliorate, anche il prezzo dei dispositivi SiC sarà ridotto e la competitività sul mercato del SiC sarà più evidente. In futuro, i dispositivi SiC saranno più ampiamente utilizzati in vari campi come automobili, comunicazioni, reti elettriche e trasporti, e il mercato del prodotto sarà più ampio e le dimensioni del mercato verranno ulteriormente ampliate, diventando un importante supporto per il mercato nazionale. economia.