სიახლე - სილიციუმის კარბიდის სტრუქტურა და ზრდის ტექნოლოგია (Ⅱ)

მეოთხე, ფიზიკური ორთქლის გადაცემის მეთოდი

ფიზიკური ორთქლის ტრანსპორტირების მეთოდი (PVT) წარმოიშვა ორთქლის ფაზის სუბლიმაციის ტექნოლოგიიდან, რომელიც გამოიგონა ლელის მიერ 1955 წელს. SiC ფხვნილი მოთავსებულია გრაფიტის მილში და თბება მაღალ ტემპერატურაზე SiC ფხვნილის დასაშლელად და სუბლიმაციის მიზნით, შემდეგ კი გრაფიტის მილი გაცივდება. SiC ფხვნილის დაშლის შემდეგ, ორთქლის ფაზის კომპონენტები დეპონირდება და კრისტალიზდება SiC კრისტალებში გრაფიტის მილის გარშემო. მიუხედავად იმისა, რომ ეს მეთოდი რთულია დიდი ზომის SiC ერთკრისტალების მოპოვება და გრაფიტის მილში დეპონირების პროცესის კონტროლი რთულია, ის იდეებს აძლევს შემდგომ მკვლევარებს.
იმ ტერაიროვი და სხვ. რუსეთში ამ საფუძველზე გააცნო სათესლე კრისტალების კონცეფცია და გადაჭრა SiC კრისტალების უკონტროლო კრისტალების ფორმისა და ბირთვული პოზიციის პრობლემა. შემდგომმა მკვლევარებმა განაგრძეს გაუმჯობესება და საბოლოოდ შეიმუშავეს ფიზიკური გაზის ფაზის ტრანსპორტირების მეთოდი (PVT) დღეს სამრეწველო გამოყენებაში.

როგორც SiC კრისტალების ზრდის ყველაზე ადრეული მეთოდი, ფიზიკური ორთქლის გადაცემის მეთოდი არის SiC კრისტალების ზრდის ყველაზე გავრცელებული ზრდის მეთოდი. სხვა მეთოდებთან შედარებით, მეთოდს აქვს დაბალი მოთხოვნები ზრდის აღჭურვილობის, მარტივი ზრდის პროცესის, ძლიერი კონტროლირებადი, საფუძვლიანი შემუშავებისა და კვლევისთვის და აქვს რეალიზებული ინდუსტრიული გამოყენება. მიმდინარე ძირითადი PVT მეთოდით გაზრდილი ბროლის სტრუქტურა ნაჩვენებია სურათზე.

ღერძული და რადიალური ტემპერატურის ველები შეიძლება კონტროლდებოდეს გრაფიტის ჭურჭლის გარე თბოიზოლაციის პირობების კონტროლით. SiC ფხვნილი მოთავსებულია გრაფიტის ჭურჭლის ქვედა ნაწილში უფრო მაღალი ტემპერატურით, ხოლო SiC თესლის კრისტალი ფიქსირდება გრაფიტის ჭურჭლის ზედა ნაწილში უფრო დაბალი ტემპერატურით. ფხვნილსა და თესლს შორის მანძილი ზოგადად კონტროლდება ათობით მილიმეტრამდე, რათა თავიდან იქნას აცილებული მზარდი ერთკრისტალსა და ფხვნილს შორის კონტაქტი. ტემპერატურის გრადიენტი, როგორც წესი, 15-35℃/სმ დიაპაზონშია. 50-5000 Pa ინერტული გაზი ინახება ღუმელში კონვექციის გაზრდის მიზნით. ამ გზით, მას შემდეგ, რაც SiC ფხვნილი გაცხელდება 2000-2500℃ ინდუქციური გაცხელებით, SiC ფხვნილი სუბლიმდება და დაიშლება Si, Si2C, SiC2 და სხვა ორთქლის კომპონენტებად და გადაიგზავნება თესლის ბოლოში გაზის კონვექციით. SiC კრისტალი კრისტალიზდება სათესლე კრისტალზე ერთკრისტალური ზრდის მისაღწევად. მისი ტიპიური ზრდის სიჩქარეა 0,1-2 მმ/სთ.

PVT პროცესი ფოკუსირებულია ზრდის ტემპერატურის, ტემპერატურის გრადიენტის, ზრდის ზედაპირის, მასალის ზედაპირის მანძილისა და ზრდის წნევის კონტროლზე, მისი უპირატესობა ის არის, რომ მისი პროცესი შედარებით მომწიფებულია, ნედლეულის წარმოება ადვილია, ღირებულება დაბალია, მაგრამ ზრდის პროცესი PVT მეთოდი რთული დასაკვირვებელია, კრისტალების ზრდის ტემპი 0.2-0.4 მმ/სთ, რთულია დიდი სისქის კრისტალების მოყვანა (>50მმ). ათწლეულების განმავლობაში უწყვეტი ძალისხმევის შემდეგ, PVT მეთოდით გაზრდილი SiC სუბსტრატის ვაფლების ამჟამინდელი ბაზარი ძალიან დიდი იყო და SiC სუბსტრატის ვაფლის წლიური გამომუშავება შეიძლება მიაღწიოს ასობით ათას ვაფლს და მისი ზომა თანდათან იცვლება 4 ინჩიდან 6 ინჩამდე. და შეიმუშავა 8 დიუმიანი SiC სუბსტრატის ნიმუშები.

მეხუთე,მაღალი ტემპერატურის ქიმიური ორთქლის დეპონირების მეთოდი

მაღალი ტემპერატურის ქიმიური ორთქლის დეპონირება (HTCVD) არის გაუმჯობესებული მეთოდი, რომელიც ეფუძნება ქიმიური ორთქლის დეპონირებას (CVD). მეთოდი პირველად 1995 წელს შემოგვთავაზა კორდინამ და სხვებმა, ლინკოპინგ უნივერსიტეტში, შვედეთი.
ზრდის სტრუქტურის დიაგრამა ნაჩვენებია სურათზე:

მეხუთე,მაღალი ტემპერატურის ქიმიური ორთქლის დეპონირების მეთოდი

როდესაც SiC კრისტალი იზრდება თხევადი ფაზის მეთოდით, ტემპერატურა და კონვექციის განაწილება დამხმარე ხსნარის შიგნით ნაჩვენებია სურათზე:

ჩანს, რომ დამხმარე ხსნარში ჭურჭლის კედლის მახლობლად ტემპერატურა უფრო მაღალია, ხოლო თესლის კრისტალზე უფრო დაბალია. ზრდის პროცესში, გრაფიტის ჭურჭელი უზრუნველყოფს C წყაროს კრისტალების ზრდისთვის. იმის გამო, რომ ჭურჭლის კედელზე ტემპერატურა მაღალია, C-ის ხსნადობა დიდია და დაშლის სიჩქარე სწრაფი, დიდი რაოდენობით C დაიშლება ჭურჭლის კედელზე და წარმოიქმნება C-ის გაჯერებული ხსნარი. ეს ხსნარები დიდი რაოდენობითაა. დაშლილი C გადაიტანება თესლის კრისტალების ქვედა ნაწილში კონვექციის გზით დამხმარე ხსნარში. სათესლე ბროლის ბოლოში დაბალი ტემპერატურის გამო, შესაბამისი C-ის ხსნადობა შესაბამისად მცირდება და თავდაპირველი C- გაჯერებული ხსნარი ხდება C-ის ზეგაჯერებული ხსნარი ამ პირობებში დაბალ ტემპერატურულ ბოლოში გადატანის შემდეგ. Suprataturated C ხსნარში კომბინირებული Si-თან დამხმარე ხსნარში შეიძლება გაიზარდოს SiC კრისტალი ეპიტაქსიურად თესლის კრისტალზე. როდესაც C-ის სუპერფორირებული ნაწილი გამოდის, ხსნარი უბრუნდება ჭურჭლის კედლის მაღალტემპერატურულ ბოლოს კონვექციით და იხსნება C კვლავ გაჯერებული ხსნარის წარმოქმნით.

მთელი პროცესი მეორდება და SiC კრისტალი იზრდება. თხევადი ფაზის ზრდის პროცესში, ხსნარში C-ის დაშლა და დალექვა ზრდის პროგრესის ძალიან მნიშვნელოვანი მაჩვენებელია. კრისტალების სტაბილური ზრდის უზრუნველსაყოფად, აუცილებელია ბალანსის დაცვა ჭურჭლის კედელზე C-ის დაშლასა და თესლის ბოლოში ნალექს შორის. თუ C-ის დაშლა მეტია C-ის ნალექზე, მაშინ C კრისტალში თანდათან მდიდრდება და მოხდება SiC-ის სპონტანური ნუკლეაცია. თუ C-ის დაშლა ნაკლებია ვიდრე C-ის ნალექი, კრისტალების ზრდა რთული იქნება გამხსნელის ნაკლებობის გამო.
ამავდროულად, C-ის ტრანსპორტირება კონვექციით ასევე გავლენას ახდენს C-ის მიწოდებაზე ზრდის დროს. იმისათვის, რომ გაიზარდოს SiC კრისტალები საკმარისად კარგი ბროლის ხარისხით და საკმარისი სისქით, აუცილებელია ზემოაღნიშნული სამი ელემენტის ბალანსის უზრუნველყოფა, რაც მნიშვნელოვნად ზრდის SiC თხევადი ფაზის ზრდის სირთულეს. ამასთან, დაკავშირებული თეორიებისა და ტექნოლოგიების თანდათანობითი გაუმჯობესებითა და გაუმჯობესებით, თანდათან გამოჩნდება SiC კრისტალების თხევადი ფაზის ზრდის უპირატესობა.
ამჟამად, 2 დიუმიანი SiC კრისტალების თხევადი ფაზის ზრდა შეიძლება მიღწეული იყოს იაპონიაში, ასევე ვითარდება 4 დიუმიანი კრისტალების თხევადი ფაზის ზრდა. ამჟამად შესაბამის შიდა კვლევებს არ აქვს კარგი შედეგი და აუცილებელია შესაბამისი კვლევითი სამუშაოების შემდგომი გატარება.

მეშვიდე, SiC კრისტალების ფიზიკური და ქიმიური თვისებები

(1) მექანიკური თვისებები: SiC კრისტალებს აქვთ ძალიან მაღალი სიმტკიცე და კარგი აცვიათ წინააღმდეგობა. მისი მოჰს სიმტკიცე არის 9,2-დან 9,3-მდე, ხოლო კრიტის სიმტკიცე 2900-დან 3100 კგ/მმ2-მდეა, რაც აღმოჩენილ მასალებს შორის მხოლოდ ალმასის კრისტალებს შორისაა. SiC-ის შესანიშნავი მექანიკური თვისებების გამო, SiC ფხვნილი ხშირად გამოიყენება ჭრის ან დაფქვის ინდუსტრიაში, წლიური მოთხოვნით მილიონ ტონამდე. ზოგიერთ სამუშაო ნაწილზე აცვიათ მდგრადი საფარი ასევე გამოიყენებს SiC საფარს, მაგალითად, ზოგიერთ სამხედრო ხომალდზე აცვიათ მდგრადი საფარი შედგება SiC საფარისგან.

(2) თერმული თვისებები: SiC-ის თბოგამტარობამ შეიძლება მიაღწიოს 3-5 W/cm·K, რაც სამჯერ აღემატება ტრადიციულ ნახევარგამტარ Si-ს და 8-ჯერ აღემატება GaAs-ს. SiC-ის მიერ მომზადებული მოწყობილობის სითბოს წარმოება შეიძლება სწრაფად განხორციელდეს, ამიტომ SiC მოწყობილობის სითბოს გაფრქვევის პირობების მოთხოვნები შედარებით ფხვიერია და ის უფრო შესაფერისია მაღალი სიმძლავრის მოწყობილობების მოსამზადებლად. SiC-ს აქვს სტაბილური თერმოდინამიკური თვისებები. ნორმალური წნევის პირობებში, SiC პირდაპირ დაიშლება ორთქლში, რომელიც შეიცავს Si და C უფრო მაღალ დონეს.

(3) ქიმიური თვისებები: SiC-ს აქვს სტაბილური ქიმიური თვისებები, კარგი კოროზიის წინააღმდეგობა და არ რეაგირებს არცერთ ცნობილ მჟავასთან ოთახის ტემპერატურაზე. ჰაერში დიდი ხნის განმავლობაში მოთავსებული SiC ნელ-ნელა წარმოქმნის მკვრივ SiO2-ის თხელ ფენას, რაც ხელს უშლის შემდგომ დაჟანგვის რეაქციებს. როდესაც ტემპერატურა იზრდება 1700℃-ზე მეტი, SiO2 თხელი ფენა დნება და სწრაფად იჟანგება. SiC-ს შეუძლია გაიაროს ნელი ჟანგვის რეაქცია გამდნარ ოქსიდანტებთან ან ფუძეებთან და SiC ვაფლები ჩვეულებრივ კოროზირდება გამდნარ KOH-ში და Na2O2-ში SiC კრისტალებში დისლოკაციის დასახასიათებლად..

(4) ელექტრული თვისებები: SiC, როგორც ფართო ზოლიანი ნახევარგამტარების წარმომადგენლობითი მასალა, 6H-SiC და 4H-SiC ზოლის სიგანე არის შესაბამისად 3.0 eV და 3.2 eV, რაც 3-ჯერ აღემატება Si-ს და 2-ჯერ აღემატება GaAs-ს. SiC-ისგან დამზადებულ ნახევარგამტარ მოწყობილობებს აქვთ უფრო მცირე გაჟონვის დენი და უფრო დიდი დაშლის ელექტრული ველი, ამიტომ SiC ითვლება იდეალურ მასალად მაღალი სიმძლავრის მოწყობილობებისთვის. SiC-ის გაჯერებული ელექტრონების მობილურობა ასევე 2-ჯერ აღემატება Si-ს და მას ასევე აქვს აშკარა უპირატესობები მაღალი სიხშირის მოწყობილობების მომზადებაში. P-ტიპის SiC კრისტალები ან N-ტიპის SiC კრისტალების მიღება შესაძლებელია კრისტალებში მინარევის ატომების დოპინგით. ამჟამად P-ტიპის SiC კრისტალები ძირითადად დოპირებულია Al, B, Be, O, Ga, Sc და სხვა ატომებით, ხოლო N ტიპის sic კრისტალები ძირითადად დოპირებულია N ატომებით. დოპინგის კონცენტრაციისა და ტიპის განსხვავება დიდ გავლენას მოახდენს SiC-ის ფიზიკურ და ქიმიურ თვისებებზე. ამავდროულად, თავისუფალი გადამზიდი შეიძლება იყოს მიმაგრებული ღრმა დონის დოპინგით, როგორიცაა V, შეიძლება გაიზარდოს წინააღმდეგობა და შეიძლება მიღებულ იქნას ნახევრად საიზოლაციო SiC კრისტალები.

(5) ოპტიკური თვისებები: შედარებით ფართო ზოლის უფსკრულის გამო, დაუმუშავებელი SiC კრისტალი უფერო და გამჭვირვალეა. დოპირებული SiC კრისტალები აჩვენებენ განსხვავებულ ფერს მათი განსხვავებული თვისებების გამო, მაგალითად, 6H-SiC არის მწვანე N დოპინგის შემდეგ; 4H-SiC არის ყავისფერი. 15R-SiC არის ყვითელი. Doped Al, 4H-SiC ჩანს ლურჯი. ეს არის ინტუიციური მეთოდი, რათა განასხვავოს SiC კრისტალები ფერის განსხვავებაზე დაკვირვებით. გასული 20 წლის განმავლობაში SiC-თან დაკავშირებულ სფეროებზე უწყვეტი კვლევის შედეგად, დიდი გარღვევა იქნა მიღწეული დაკავშირებულ ტექნოლოგიებში.

მერვე,SiC განვითარების სტატუსის დანერგვა

ამჟამად, SiC ინდუსტრია სულ უფრო სრულყოფილი ხდება, სუბსტრატის ვაფლებიდან, ეპიტაქსიალური ვაფლებიდან მოწყობილობის წარმოებამდე, შეფუთვამდე, მთელი ინდუსტრიული ჯაჭვი მომწიფდა და მას შეუძლია მიაწოდოს SiC დაკავშირებული პროდუქტები ბაზარზე.

Cree არის ლიდერი SiC კრისტალების ზრდის ინდუსტრიაში, წამყვანი პოზიციით SiC სუბსტრატის ვაფლის ზომით და ხარისხით. Cree ამჟამად აწარმოებს 300,000 SiC სუბსტრატის ჩიპს წელიწადში, რაც შეადგენს გლობალური გადაზიდვების 80%-ზე მეტს.

2019 წლის სექტემბერში კრიმ გამოაცხადა, რომ ააშენებს ახალ ობიექტს ნიუ-იორკის შტატში, აშშ, რომელიც გამოიყენებს ყველაზე მოწინავე ტექნოლოგიას 200 მმ დიამეტრის სიმძლავრის და RF SiC სუბსტრატის ვაფლების მოსაყვანად, რაც მიუთითებს, რომ მის 200 მმ SiC სუბსტრატის მასალის მომზადების ტექნოლოგიას აქვს. გახდეს უფრო მოწიფული.

ამჟამად, ბაზარზე SiC სუბსტრატის ჩიპების ძირითადი პროდუქტებია ძირითადად 4H-SiC და 6H-SiC გამტარი და ნახევრად იზოლირებული ტიპები 2-6 ინჩით.
2015 წლის ოქტომბერში, Cree იყო პირველი, ვინც გამოუშვა 200 მმ SiC სუბსტრატის ვაფლები N-ტიპისთვის და LED-ებისთვის, რაც აღნიშნავს 8 დიუმიანი SiC სუბსტრატის ვაფლების ბაზარზე გამოსვლას.
2016 წელს Romm-მა დაიწყო Venturi გუნდის სპონსორობა და იყო პირველი, ვინც გამოიყენა IGBT + SiC SBD კომბინაცია მანქანაში IGBT + Si FRD ხსნარის ჩანაცვლებისთვის ტრადიციულ 200 კვტ ინვერტორში. გაუმჯობესების შემდეგ ინვერტორის წონა მცირდება 2 კგ-ით და ზომა მცირდება 19%-ით იმავე სიმძლავრის შენარჩუნებით.

2017 წელს, SiC MOS + SiC SBD-ის შემდგომი მიღების შემდეგ, არა მხოლოდ წონა მცირდება 6 კგ-ით, ზომა მცირდება 43%-ით, ასევე გაიზარდა ინვერტორული სიმძლავრე 200 კვტ-დან 220 კვტ-მდე.
მას შემდეგ, რაც Tesla-მ 2018 წელს მიიღო SIC-ზე დაფუძნებული მოწყობილობები მისი Model 3 პროდუქტების მთავარ დისკზე ინვერტორებში, დემონსტრაციის ეფექტი სწრაფად გაძლიერდა, რითაც xEV ავტომობილების ბაზარი მალე აღფრთოვანების წყაროდ იქცა SiC ბაზრისთვის. SiC-ის წარმატებული გამოყენებით, მისი დაკავშირებული საბაზრო გამომავალი ღირებულება ასევე სწრაფად გაიზარდა.

მეცხრე,დასკვნა:

SiC დაკავშირებული ინდუსტრიის ტექნოლოგიების უწყვეტი გაუმჯობესებით, მისი პროდუქტიულობა და საიმედოობა კიდევ უფრო გაუმჯობესდება, ასევე შემცირდება SiC მოწყობილობების ფასი და უფრო აშკარა იქნება SiC-ის საბაზრო კონკურენტუნარიანობა. მომავალში, SiC მოწყობილობები უფრო ფართოდ იქნება გამოყენებული სხვადასხვა სფეროში, როგორიცაა ავტომობილები, კომუნიკაციები, ელექტრო ქსელები და ტრანსპორტი, ხოლო პროდუქტის ბაზარი უფრო ფართო გახდება და ბაზრის ზომა კიდევ უფრო გაფართოვდება, რაც მნიშვნელოვანი მხარდაჭერა გახდება ეროვნული. ეკონომიკა.

გამოქვეყნების დრო: იან-25-2024