Četvrti, Metoda fizikalnog prijenosa pare
Metoda fizičkog prijenosa pare (PVT) potječe iz tehnologije sublimacije parne faze koju je izumio Lely 1955. SiC prah se stavlja u grafitnu cijev i zagrijava na visoku temperaturu kako bi se razgradio i sublimirao SiC prah, a zatim se grafitna cijev hladi. Nakon razgradnje praha SiC, komponente parne faze se talože i kristaliziraju u kristale SiC oko grafitne cijevi. Iako je ovom metodom teško dobiti monokristale SiC velike veličine, a proces taloženja u grafitnoj cijevi je teško kontrolirati, ona daje ideje za buduće istraživače.
Ym Terairov i sur. u Rusiji je na toj osnovi uveo koncept klica kristala i riješio problem nekontroliranog oblika kristala i položaja nukleacije SiC kristala. Istraživači koji su uslijedili nastavili su poboljšavati i na kraju razvili metodu fizičkog transporta plinske faze (PVT) koja se danas koristi u industriji.
Kao najstarija metoda rasta kristala SiC, metoda fizičkog prijenosa pare najčešća je metoda rasta za rast kristala SiC. U usporedbi s drugim metodama, metoda ima niske zahtjeve za opremu za uzgoj, jednostavan proces rasta, snažnu mogućnost kontrole, temeljit razvoj i istraživanje te je ostvarila industrijsku primjenu. Struktura kristala uzgojenog trenutnom glavnom PVT metodom prikazana je na slici.
Aksijalno i radijalno temperaturno polje može se kontrolirati kontroliranjem vanjskih uvjeta toplinske izolacije grafitnog lončića. SiC prah se stavlja na dno grafitnog lončića s višom temperaturom, a klica SiC kristala je fiksirana na vrhu grafitnog lončića s nižom temperaturom. Udaljenost između praha i klice općenito se kontrolira na desetke milimetara kako bi se izbjegao kontakt između rastućeg monokristala i praha. Temperaturni gradijent je obično u rasponu od 15-35 ℃/cm. Inertni plin od 50-5000 Pa drži se u peći kako bi se povećala konvekcija. Na taj način, nakon što se SiC prah zagrije na 2000-2500 ℃ indukcijskim zagrijavanjem, SiC prah će sublimirati i razgraditi se na Si, Si2C, SiC2 i druge komponente pare, te se transportirati do kraja sjemena konvekcijom plina, a Kristal SiC kristalizira se na klici kristala kako bi se postigao rast jednog kristala. Njegova tipična brzina rasta je 0,1-2 mm/h.
PVT proces fokusiran je na kontrolu temperature rasta, temperaturnog gradijenta, površine rasta, razmaka površine materijala i pritiska rasta, njegova prednost je što je njegov proces relativno zreo, sirovine je lako proizvesti, cijena je niska, ali proces rasta PVT metodu je teško promatrati, brzina rasta kristala od 0,2-0,4 mm/h, teško je uzgajati kristale velike debljine (>50 mm). Nakon desetljeća neprekidnih napora, trenutno tržište za SiC pločice supstrata uzgojene PVT metodom je vrlo veliko, a godišnja proizvodnja pločica SiC supstrata može doseći stotine tisuća pločica, a njihova veličina postupno se mijenja od 4 inča do 6 inča , te je razvio uzorke SiC supstrata od 8 inča.
Peti,Metoda kemijskog taloženja na visokoj temperaturi
Visokotemperaturno kemijsko taloženje parom (HTCVD) poboljšana je metoda temeljena na kemijskom taloženju parom (CVD). Metodu su 1995. prvi predložili Kordina i dr., Sveučilište Linkoping, Švedska.
Dijagram strukture rasta prikazan je na slici:
Aksijalno i radijalno temperaturno polje može se kontrolirati kontroliranjem vanjskih uvjeta toplinske izolacije grafitnog lončića. SiC prah se stavlja na dno grafitnog lončića s višom temperaturom, a klica SiC kristala je fiksirana na vrhu grafitnog lončića s nižom temperaturom. Udaljenost između praha i klice općenito se kontrolira na desetke milimetara kako bi se izbjegao kontakt između rastućeg monokristala i praha. Temperaturni gradijent je obično u rasponu od 15-35 ℃/cm. Inertni plin od 50-5000 Pa drži se u peći kako bi se povećala konvekcija. Na taj način, nakon što se SiC prah zagrije na 2000-2500 ℃ indukcijskim zagrijavanjem, SiC prah će sublimirati i razgraditi se na Si, Si2C, SiC2 i druge komponente pare, te se transportirati do kraja sjemena konvekcijom plina, a Kristal SiC kristalizira se na klici kristala kako bi se postigao rast jednog kristala. Njegova tipična brzina rasta je 0,1-2 mm/h.
PVT proces fokusiran je na kontrolu temperature rasta, temperaturnog gradijenta, površine rasta, razmaka površine materijala i pritiska rasta, njegova prednost je što je njegov proces relativno zreo, sirovine je lako proizvesti, cijena je niska, ali proces rasta PVT metodu je teško promatrati, brzina rasta kristala od 0,2-0,4 mm/h, teško je uzgajati kristale velike debljine (>50 mm). Nakon desetljeća neprekidnih napora, trenutno tržište za SiC pločice supstrata uzgojene PVT metodom je vrlo veliko, a godišnja proizvodnja pločica SiC supstrata može doseći stotine tisuća pločica, a njihova veličina postupno se mijenja od 4 inča do 6 inča , te je razvio uzorke SiC supstrata od 8 inča.
Peti,Metoda kemijskog taloženja na visokoj temperaturi
Visokotemperaturno kemijsko taloženje parom (HTCVD) poboljšana je metoda temeljena na kemijskom taloženju parom (CVD). Metodu su 1995. prvi predložili Kordina i dr., Sveučilište Linkoping, Švedska.
Dijagram strukture rasta prikazan je na slici:
Kada se kristal SiC uzgaja metodom tekuće faze, raspodjela temperature i konvekcije unutar pomoćne otopine prikazana je na slici:
Vidljivo je da je temperatura u blizini stijenke lončića u pomoćnoj otopini viša, dok je temperatura na klici niža. Tijekom procesa rasta, grafitni lončić osigurava izvor C za rast kristala. Budući da je temperatura na stjenci lončića visoka, topljivost C velika, a brzina otapanja brza, velika količina C bit će otopljena na stjenci lončića da bi nastala zasićena otopina C. Ove otopine s velikom količinom otopljenog C će se transportirati do donjeg dijela klica kristala konvekcijom unutar pomoćne otopine. Zbog niske temperature kristalnog klica, topljivost odgovarajućeg C smanjuje se na odgovarajući način, a izvorna otopina zasićena C postaje prezasićena otopina C nakon što se pod ovim uvjetima prenese na kraj niske temperature. Suprataturirani C u otopini u kombinaciji sa Si u pomoćnoj otopini može izrasti kristal SiC epitaksijalno na kristalu klice. Kada se superforirani dio C istaloži, otopina se konvekcijom vraća na visokotemperaturni kraj stijenke lončića i ponovno otapa C kako bi nastala zasićena otopina.
Cijeli proces se ponavlja, a kristal SiC raste. U procesu rasta tekuće faze, otapanje i taloženje C u otopini je vrlo važan pokazatelj napretka rasta. Kako bi se osigurao stabilan rast kristala, potrebno je održavati ravnotežu između otapanja C na stijenci lončića i taloženja na kraju klice. Ako je otapanje C veće od taloženja C, tada se C u kristalu postupno obogaćuje i doći će do spontane nukleacije SiC. Ako je otapanje C manje od taloženja C, rast kristala će biti teško izvesti zbog nedostatka otopljene tvari.
U isto vrijeme, transport C konvekcijom također utječe na opskrbu C tijekom rasta. Kako bi se uzgojili kristali SiC dovoljno dobre kvalitete kristala i dovoljne debljine, potrebno je osigurati ravnotežu gornja tri elementa, što uvelike povećava poteškoće rasta tekuće faze SiC. Međutim, s postupnim poboljšanjem i poboljšanjem povezanih teorija i tehnologija, prednosti rasta tekuće faze SiC kristala postupno će se pokazati.
Trenutačno se rast kristala SiC od 2 inča u tekućoj fazi može postići u Japanu, a također se razvija i rast kristala od 4 inča u tekućoj fazi. Relevantna domaća istraživanja trenutno nisu dala dobre rezultate, te je potrebno pratiti relevantna istraživanja.
Sedmi, Fizikalna i kemijska svojstva kristala SiC
(1) Mehanička svojstva: SiC kristali imaju izuzetno visoku tvrdoću i dobru otpornost na trošenje. Njegova Mohsova tvrdoća je između 9,2 i 9,3, a Krit tvrdoća je između 2900 i 3100 Kg/mm2, što je odmah iza kristala dijamanta među otkrivenim materijalima. Zbog izvrsnih mehaničkih svojstava SiC-a, SiC u prahu često se koristi u industriji rezanja ili brušenja, s godišnjom potražnjom do milijuna tona. Premaz otporan na habanje na nekim radnim komadima također će koristiti SiC premaz, na primjer, premaz otporan na habanje na nekim ratnim brodovima sastoji se od sloja SiC.
(2) Toplinska svojstva: toplinska vodljivost SiC može doseći 3-5 W/cm·K, što je 3 puta više od tradicionalnog poluvodiča Si i 8 puta više od GaAs. Proizvodnja topline uređaja pripremljenog SiC-om može se brzo odvesti, tako da su zahtjevi uvjeta rasipanja topline SiC uređaja relativno labavi i prikladniji je za pripremu uređaja velike snage. SiC ima stabilna termodinamička svojstva. Pod normalnim tlakom, SiC će se izravno razgraditi u paru koja sadrži Si i C na višim razinama.
(3) Kemijska svojstva: SiC ima stabilna kemijska svojstva, dobru otpornost na koroziju i ne reagira ni s jednom poznatom kiselinom na sobnoj temperaturi. SiC koji se nalazi na zraku dulje vrijeme polako će formirati tanki sloj gustog SiO2, sprječavajući daljnje oksidacijske reakcije. Kada temperatura poraste na više od 1700 ℃, tanki sloj SiO2 se topi i brzo oksidira. SiC može proći sporu oksidacijsku reakciju s rastaljenim oksidansima ili bazama, a SiC pločice se obično korodiraju u rastaljenom KOH i Na2O2 kako bi se okarakterizirala dislokacija u kristalima SiC.
(4) Električna svojstva: SiC kao reprezentativni materijal širokopojasnih poluvodiča, 6H-SiC i 4H-SiC širine razmaka su 3,0 eV odnosno 3,2 eV, što je 3 puta više od Si i 2 puta više od GaAs. Poluvodički uređaji od SiC-a imaju manju struju curenja i veće probojno električno polje, pa se SiC smatra idealnim materijalom za uređaje velike snage. Zasićena pokretljivost elektrona SiC-a također je 2 puta veća od one SiC-a, a također ima očite prednosti u pripremi visokofrekventnih uređaja. Kristali SiC tipa P ili kristali SiC tipa N mogu se dobiti dopiranjem atoma nečistoća u kristalima. Trenutno su kristali SiC tipa P uglavnom dopirani atomima Al, B, Be, O, Ga, Sc i drugim atomima, a kristali sic tipa N uglavnom su dopirani atomima N. Razlika u koncentraciji i vrsti dopinga imat će veliki utjecaj na fizikalna i kemijska svojstva SiC-a. U isto vrijeme, slobodni nosač se može prikovati dubokim dopiranjem kao što je V, može se povećati otpornost i može se dobiti poluizolacijski SiC kristal.
(5) Optička svojstva: Zbog relativno širokog zabranjenog pojasa, nedopirani SiC kristal je bezbojan i proziran. Dopirani SiC kristali pokazuju različite boje zbog svojih različitih svojstava, na primjer, 6H-SiC je zelen nakon dopiranja N; 4H-SiC je smeđe boje. 15R-SiC je žut. Dopiran s Al, 4H-SiC izgleda plavo. To je intuitivna metoda za razlikovanje vrste kristala SiC promatranjem razlike u boji. S kontinuiranim istraživanjem u područjima povezanim s SiC-om u posljednjih 20 godina, napravljeni su veliki pomaci u povezanim tehnologijama.
Osmi,Uvođenje statusa razvoja SiC-a
Trenutačno je SiC industrija postala sve savršenija, od supstratnih pločica, epitaksijalnih pločica do proizvodnje uređaja, pakiranja, cijeli industrijski lanac je sazrio i može isporučivati proizvode srodne SiC tržištu.
Cree je lider u industriji rasta SiC kristala s vodećom pozicijom u veličini i kvaliteti SiC podložnih pločica. Cree trenutno proizvodi 300.000 čipova SiC supstrata godišnje, što čini više od 80% globalnih isporuka.
U rujnu 2019. Cree je najavio da će izgraditi novi pogon u državi New York, SAD, koji će koristiti najnapredniju tehnologiju za uzgoj energetskih i RF SiC supstratnih pločica promjera 200 mm, što pokazuje da je njegova tehnologija pripreme materijala za supstrat od 200 mm SiC postati zreliji.
Trenutačno su glavni proizvodi čipova za supstrat SiC na tržištu uglavnom 4H-SiC i 6H-SiC vodljivi i poluizolirani tipovi od 2-6 inča.
U listopadu 2015. Cree je bio prvi koji je lansirao 200 mm SiC supstratne pločice za N-tip i LED, označavajući početak 8-inčnih SiC supstratnih pločica na tržištu.
Godine 2016. Romm je počeo sponzorirati tim Venturi i bio je prvi koji je koristio kombinaciju IGBT + SiC SBD u automobilu kako bi zamijenio rješenje IGBT + Si FRD u tradicionalnom pretvaraču od 200 kW. Nakon poboljšanja, težina pretvarača smanjena je za 2 kg, a veličina smanjena za 19% uz zadržavanje iste snage.
U 2017., nakon daljnjeg usvajanja SiC MOS + SiC SBD, ne samo da je težina smanjena za 6 kg, veličina je smanjena za 43%, a snaga pretvarača je također povećana sa 200 kW na 220 kW.
Nakon što je Tesla usvojio uređaje koji se temelje na SIC-u u glavnim pogonskim pretvaračima svojih proizvoda Model 3 2018., učinak demonstracije je brzo pojačan, čineći tržište automobila xEV uskoro izvorom uzbuđenja za tržište SiC-a. S uspješnom primjenom SiC-a, njegova povezana tržišna vrijednost također je brzo porasla.
Deveti,Zaključak:
Uz kontinuirano poboljšanje industrijskih tehnologija povezanih sa SiC-om, njegova će se učinkovitost i pouzdanost dodatno poboljšati, cijena SiC-ovih uređaja također će se smanjiti, a tržišna konkurentnost SiC-a bit će očiglednija. U budućnosti će se SiC uređaji više koristiti u raznim područjima kao što su automobili, komunikacije, elektroenergetske mreže i transport, a tržište proizvoda bit će šire, a veličina tržišta dodatno će se proširiti, postajući važna potpora nacionalnom gospodarstva.
Vrijeme objave: 25. siječnja 2024