Uudised – ränikarbiidi struktuur ja kasvutehnoloogia (Ⅱ)

Neljandaks, füüsikalise auruülekande meetod

Thefüüsiline aurutransport (PVT)meetod pärineb Lely poolt 1955. aastal leiutatud aurufaasisublimatsiooni tehnoloogiast. SiC pulber asetatakse grafiittorusse ja kuumutatakse kõrge temperatuurini, et lagundada ja sublimeerida SiC pulber ning seejärel grafiittoru jahutatakse. Pärast SiC pulbri lagunemist sadestatakse aurufaasi komponendid ja kristalliseeritakse grafiittoru ümber SiC kristallideks. Kuigi see meetod raskendab suurte SiC monokristallide saamist ja grafiittoru sadestamise protsessi on raske kontrollida, annab see ideid järgmistele uurijatele.
Ym Terairov jt. aastal juurutas Venemaal selle põhjal idukristallide kontseptsioon ja lahendati SiC kristallide kontrollimatu kristallikuju ja tuumapositsiooni probleem. Järgnevad teadlased jätkasid täiustamist ja arendasid lõpuks välja füüsilise gaasifaasi transpordi (PVT) meetodi tänapäeval tööstuslikus kasutuses.

Varaseima SiC kristallide kasvatamise meetodina on füüsikaline auruülekande meetod kõige levinum ränikarbiidi kristallide kasvatamise meetod. Võrreldes teiste meetoditega on meetodil madalad nõuded kasvuseadmetele, lihtne kasvuprotsess, tugev juhitavus, põhjalik arendus ja uurimine ning see on realiseeritud tööstuslikuks kasutamiseks. Praegusel peavoolu PVT meetodil kasvatatud kristalli struktuur on näidatud joonisel.

Aksiaalset ja radiaalset temperatuurivälju saab juhtida grafiittiigli väliste soojusisolatsioonitingimuste kontrollimisega. SiC pulber asetatakse kõrgema temperatuuriga grafiittiigli põhja ja SiC idukristall fikseeritakse madalamal temperatuuril grafiittiigli ülaossa. Pulbri ja seemne vaheline kaugus on üldiselt kontrollitud kümnete millimeetriteni, et vältida kasvavate monokristallide ja pulbri kokkupuudet. Temperatuurigradient on tavaliselt vahemikus 15-35 ℃/cm. Konvektsiooni suurendamiseks hoitakse ahjus inertgaasi 50-5000 Pa. Sel viisil pärast ränikarbiidi pulbri kuumutamist temperatuurini 2000–2500 ℃ induktsioonkuumutusega sublimeerub ja laguneb Si, Si2C, SiC2 ja muudeks aurukomponentideks ning transporditakse gaasikonvektsiooniga külviotsa. SiC kristallid kristalliseeritakse idukristallidel, et saavutada üksikute kristallide kasv. Selle tüüpiline kasvukiirus on 0,1-2 mm/h.

PVT-protsess keskendub kasvutemperatuuri, temperatuurigradiendi, kasvupinna, materjali pinnavahe ja kasvusurve juhtimisele, selle eeliseks on see, et selle protsess on suhteliselt küps, toorainet on lihtne toota, hind on madal, kuid kasvuprotsess PVT meetodi puhul on raske jälgida, kristallide kasvukiirus on 0,2-0,4 mm/h, raske on kasvatada suure paksusega (>50 mm) kristalle. Pärast aastakümneid kestnud pidevaid jõupingutusi on PVT-meetodil kasvatatud ränikarbiidi substraatvahvlite praegune turg olnud väga suur ning ränikarbiidi substraatplaatide aastane toodang võib ulatuda sadade tuhandete vahvliteni ning selle suurus muutub järk-järgult 4 tollilt 6 tollile. tolli ja on välja töötanud 8 tolli SiC substraadiproove.

Viiendaks, kõrgtemperatuuriline keemiline aur-sadestamise meetod

Kõrgtemperatuuriline keemiline aurustamine-sadestamine (HTCVD) on täiustatud meetod, mis põhineb keemilisel aurustamise-sadestamisel (CVD). Meetodi pakkusid esmakordselt välja 1995. aastal Kordina jt, Linkopingi ülikool, Rootsi.
Kasvustruktuuri diagramm on näidatud joonisel:

Kui SiC kristalle kasvatatakse vedelfaasi meetodil, on temperatuuri ja konvektsiooni jaotus abilahuse sees näidatud joonisel:

On näha, et temperatuur tiigli seina lähedal abilahuses on kõrgem, samas kui temperatuur idukristalli juures on madalam. Kasvuprotsessi ajal pakub grafiiditiigel kristallide kasvatamiseks C-allikat. Kuna tiigli seina temperatuur on kõrge, C lahustuvus on suur ja lahustumiskiirus on kiire, lahustub tiigli seinal suur kogus C-d, moodustades C küllastunud lahuse. Need lahused on suure kogusega lahustunud C transporditakse abilahuses konvektsiooni teel idukristallide alumisse ossa. Seemnekristalli otsa madala temperatuuri tõttu väheneb vastava C lahustuvus vastavalt ja algne C-küllastunud lahus muutub pärast sellisel tingimusel üleküllastumist C üleküllastunud lahuseks. Üleküllastunud C lahuses koos SiC-ga abilahuses võib kasvatada SiC kristalle epitaksiaalselt idukristallidele. Kui C perforeeritud osa sadestub välja, naaseb lahus konvektsiooniga tiigli seina kõrge temperatuuriga otsa ja lahustab C uuesti, moodustades küllastunud lahuse.

Kogu protsess kordub ja SiC kristall kasvab. Vedelfaasi kasvu protsessis on C lahustumine ja sadestumine lahuses väga oluline kasvu edenemise indeks. Stabiilse kristallide kasvu tagamiseks on vaja säilitada tasakaal C lahustumise vahel tiigli seinas ja sademete vahel seemne otsas. Kui C lahustumine on suurem kui C sadestumine, rikastub C kristallis järk-järgult ja toimub SiC spontaanne tuumastumine. Kui C lahustumine on väiksem kui C sadestumine, on kristallide kasvatamine lahustunud aine puudumise tõttu raskesti teostatav.
Samas mõjutab C transport konvektsiooni teel ka C varustamist kasvu ajal. Piisavalt hea kristallikvaliteedi ja piisava paksusega SiC kristallide kasvatamiseks on vaja tagada ülaltoodud kolme elemendi tasakaal, mis suurendab oluliselt SiC vedelfaasi kasvu raskust. Seotud teooriate ja tehnoloogiate järkjärgulise täiustamise ja täiustamisega ilmnevad aga järk-järgult SiC kristallide vedelfaasi kasvu eelised.
Praegu on Jaapanis võimalik saavutada 2-tolliste SiC kristallide vedelfaasikasv, samuti arendatakse 4-tolliste kristallide vedelfaasi kasvu. Praegu ei ole vastavad kodumaised uuringud häid tulemusi näinud ning sellekohast uurimistööd on vaja jälgida.

Seitsmendaks, SiC kristallide füüsikalised ja keemilised omadused

(1) Mehaanilised omadused: SiC kristallidel on väga kõrge kõvadus ja hea kulumiskindlus. Selle Mohsi kõvadus on vahemikus 9,2–9,3 ja selle Krit kõvadus on vahemikus 2900–3100 kg/mm2, mis on avastatud materjalide hulgas teemandikristallide järel teine. Tänu ränikarbiidi suurepärastele mehaanilistele omadustele kasutatakse pulbrilist ränikarbiidi sageli lõikamis- või lihvimistööstuses, mille aastane nõudlus on kuni miljoneid tonne. Mõne detaili kulumiskindel kate hakkab kasutama ka SiC-katet, näiteks mõne sõjalaeva kulumiskindel kate koosneb SiC-kattest.

(2) Soojusomadused: SiC soojusjuhtivus võib ulatuda 3–5 W/cm·K-ni, mis on 3 korda suurem kui traditsioonilisel pooljuhil Si ja 8 korda suurem GaAs-l. SiC-ga valmistatud seadme soojuse tootmine on kiiresti juhitav, mistõttu on nõuded SiC-seadme soojuseraldustingimustele suhteliselt leebed ning see sobib paremini suure võimsusega seadmete valmistamiseks. SiC-l on stabiilsed termodünaamilised omadused. Normaalrõhu tingimustes laguneb SiC otse auruks, mis sisaldab Si ja C kõrgemal.

(3) Keemilised omadused: ränikarbiidil on stabiilsed keemilised omadused, hea korrosioonikindlus ja see ei reageeri toatemperatuuril ühegi teadaoleva happega. Pikka aega õhus hoitud ränikarbid moodustab aeglaselt õhukese tiheda SiO2 kihi, takistades edasisi oksüdatsioonireaktsioone. Kui temperatuur tõuseb üle 1700 ℃, sulab õhuke SiO2 kiht ja oksüdeerub kiiresti. SiC võib läbida aeglase oksüdatsioonireaktsiooni sula oksüdeerijate või alustega ning SiC vahvlid korrodeeritakse tavaliselt sulas KOH-s ja Na2O2-s, et iseloomustada dislokatsiooni SiC kristallides.

(4) Elektrilised omadused: SiC kui laia ribalaiusega pooljuhtide tüüpiline materjal, 6H-SiC ja 4H-SiC ribalaiused on vastavalt 3,0 eV ja 3,2 eV, mis on 3 korda suurem kui Si oma ja 2 korda suurem kui GaAs. SiC-st valmistatud pooljuhtseadmetel on väiksemad lekkevoolud ja suuremad läbilöögielektriväljad, seega peetakse ränikarbid ideaalseks materjaliks suure võimsusega seadmete jaoks. SiC küllastunud elektronide liikuvus on samuti 2 korda suurem kui Si oma ning sellel on ka ilmsed eelised kõrgsagedusseadmete valmistamisel. P-tüüpi SiC kristalle või N-tüüpi SiC kristalle saab saada kristallides olevate lisandite aatomite legeerimisel. Praegu on P-tüüpi SiC kristallid peamiselt Al, B, Be, O, Ga, Sc ja teiste aatomitega ning N-tüüpi SiC kristalle peamiselt N aatomitega. Erinevused dopingu kontsentratsioonis ja tüübis avaldavad ränidioksiidi füüsikalistele ja keemilistele omadustele suurt mõju. Samal ajal saab vaba kandja naelutada sügava dopinguga nagu V, suurendada takistust ja saada poolisoleerivat SiC kristalli.

(5) Optilised omadused: suhteliselt laia ribavahe tõttu on legeerimata SiC kristall värvitu ja läbipaistev. Legeeritud SiC kristallid näitavad erinevat värvi nende erinevate omaduste tõttu, näiteks on 6H-SiC pärast N dopimist roheline; 4H-SiC on pruun. 15R-SiC on kollane. Al-ga legeeritud 4H-SiC tundub sinine. See on intuitiivne meetod SiC kristallitüübi eristamiseks, jälgides värvide erinevust. Viimase 20 aasta jooksul ränikarbiidiga seotud valdkondade pideva uurimistööga on seotud tehnoloogiate vallas tehtud suuri läbimurdeid.

Kaheksandaks, SiC arenduse staatuse tutvustus

Praegu on ränikarbiidi tööstus muutunud substraatvahvlitest üha täiuslikumaks,jaepitaksiaalnevahvlidseadmete tootmiseks ja pakendamiseks on kogu tööstusahel küpseks saanud ja see suudab turule tarnida ränikarbiidiga seotud tooteid.

Cree on SiC kristallide kasvatamise tööstuse liider, kellel on juhtiv positsioon nii ränikarbiidi substraatplaatide suuruse kui ka kvaliteedi osas. Cree toodab praegu 300 000 SiC substraatkiipi aastas, mis moodustab üle 80% ülemaailmsetest saadetistest.

2019. aasta septembris teatas Cree, et ehitab USA-sse New Yorgi osariiki uue rajatise, mis kasutab kõige arenenumat tehnoloogiat 200 mm läbimõõduga võimsus- ja RF SiC substraadivahvlite kasvatamiseks, mis näitab, et selle 200 mm ränikarbiidi substraadi materjali ettevalmistamise tehnoloogia on küpsemaks saada.

Praegu on turul peamised SiC-substraatkiibid peamiselt 4H-SiC ja 6H-SiC juhtivad ja poolisoleeritud tüübid 2–6 tolli.
2015. aasta oktoobris tõi Cree esimesena turule 200 mm SiC substraatvahvlid N-tüüpi ja LED-i jaoks, mis tähistas 8-tolliste SiC substraatplaatide turule toomise algust.
2016. aastal alustas Romm Venturi meeskonna sponsorlust ja oli esimene, kes kasutas autos IGBT + SiC SBD kombinatsiooni, et asendada IGBT + Si FRD lahendus traditsioonilises 200 kW inverteris. Pärast täiustamist vähendatakse inverteri kaalu 2 kg ja suurust 19%, säilitades samal ajal sama võimsuse.

2017. aastal, pärast SiC MOS + SiC SBD edasist kasutuselevõttu, ei vähene mitte ainult kaal 6 kg, vaid ka suurus vähenes 43% võrra, samuti suurendatakse inverteri võimsust 200 kW-lt 220 kW-ni.
Pärast seda, kui Tesla võttis 2018. aastal kasutusele SIC-põhised seadmed oma Model 3 toodete peamistes ajamimuundurites, võimendus demonstratsiooniefekt kiiresti, muutes xEV-autode turu peagi SiC-turu jaoks põnevuse allikaks. SiC eduka rakendamisega on kiiresti tõusnud ka sellega seotud turutoodangu väärtus.

Üheksas, järeldus:

SiC-ga seotud tööstustehnoloogiate pideva täiustamisega paraneb veelgi selle tootlikkus ja töökindlus, väheneb ka ränikarbiidi seadmete hind ning muutub silmnähtavamaks ränikarbiidi turu konkurentsivõime. Tulevikus hakatakse SiC seadmeid laialdasemalt kasutama erinevates valdkondades nagu autod, side, elektrivõrgud ja transport ning tooteturg muutub laiemaks ning turu suurus laieneb veelgi, muutudes oluliseks toeks riigisisesele majandust.