Silikon karbidin quruluşu və böyümə texnologiyası (Ⅱ)

Dördüncüsü, Fiziki buxar ötürmə üsulu

Fiziki buxar nəqli (PVT) üsulu 1955-ci ildə Lely tərəfindən icad edilmiş buxar fazasının sublimasiya texnologiyasından yaranmışdır. SiC tozu SiC tozunu parçalamaq və sublimasiya etmək üçün qrafit boruya yerləşdirilir və yüksək temperatura qədər qızdırılır, sonra isə qrafit borusu soyudulur. SiC tozunun parçalanmasından sonra buxar fazasının komponentləri çökdürülür və qrafit borusu ətrafında SiC kristallarına kristallaşdırılır. Bu üsulla böyük ölçülü SiC monokristallarını əldə etmək çətin olsa da və qrafit borusunda çökmə prosesini idarə etmək çətin olsa da, bu, sonrakı tədqiqatçılar üçün fikirlər verir.
Ym Terairov və b. Rusiyada bu əsasda toxum kristalları anlayışını təqdim etdi və SiC kristallarının idarəolunmaz kristal forması və nüvələşmə mövqeyi problemini həll etdi. Sonrakı tədqiqatçılar bu gün sənaye istifadəsində fiziki qaz fazasının nəqli (PVT) metodunu təkmilləşdirməyə davam etdilər və nəticədə inkişaf etdirdilər.

Ən erkən SiC kristal böyüməsi üsulu olaraq, fiziki buxar köçürmə üsulu SiC kristalının böyüməsi üçün ən əsas böyümə üsuludur. Digər üsullarla müqayisədə, metod böyümə avadanlığı, sadə böyümə prosesi, güclü nəzarət, hərtərəfli inkişaf və tədqiqat üçün aşağı tələblərə malikdir və sənaye tətbiqini həyata keçirmişdir. Mövcud əsas PVT üsulu ilə yetişdirilən kristalın quruluşu şəkildə göstərilmişdir.

Eksenel və radial temperatur sahələri, qrafit titasının xarici istilik izolyasiya şərtlərinə nəzarət etməklə idarə oluna bilər. SiC tozu daha yüksək temperaturda olan qrafit tigelin dibinə yerləşdirilir və SiC toxum kristalı daha aşağı temperaturda qrafit tigesinin yuxarı hissəsində sabitlənir. Toz və toxum arasındakı məsafə ümumiyyətlə böyüyən tək kristal və toz arasında təmasın qarşısını almaq üçün onlarla millimetr olaraq idarə olunur. Temperatur qradiyenti adətən 15-35 ℃/sm aralığında olur. Konveksiyanı artırmaq üçün sobada 50-5000 Pa inert qaz saxlanılır. Bu şəkildə, SiC tozu induksiya ilə qızdırılmaqla 2000-2500 ℃-ə qədər qızdırıldıqdan sonra SiC tozu sublimasiya ediləcək və Si, Si2C, SiC2 və digər buxar komponentlərinə parçalanacaq və qaz konveksiyası ilə toxum ucuna daşınacaq və SiC kristalı tək kristal artımına nail olmaq üçün toxum kristalında kristallaşdırılır. Onun tipik böyümə sürəti 0,1-2 mm/saatdır.

PVT prosesi böyümə temperaturu, temperatur qradiyenti, böyümə səthi, material səthi məsafəsi və böyümə təzyiqinin idarə edilməsinə diqqət yetirir, onun üstünlüyü ondan ibarətdir ki, onun prosesi nisbətən yetkindir, xammalın istehsalı asandır, dəyəri aşağıdır, lakin böyümə prosesi PVT metodunu müşahidə etmək çətindir, kristal artım sürəti 0,2-0,4 mm/saat, qalınlığı böyük olan (>50 mm) kristalları yetişdirmək çətindir. Onilliklər boyu davam edən səylərdən sonra, PVT üsulu ilə yetişdirilən SiC substratlı vaflilər üçün mövcud bazar çox böyük olmuşdur və SiC substratlı vaflilərin illik istehsalı yüz minlərlə vafliə çata bilər və ölçüsü tədricən 4 düymdən 6 düymədək dəyişir. , və 8 düymlük SiC substrat nümunələri hazırlamışdır.

 

Beşinci,Yüksək temperaturda kimyəvi buxar çökdürmə üsulu

 

Yüksək Temperaturda Kimyəvi Buxar Çöküntüsü (HTCVD) Kimyəvi Buxar Depozitinə (CVD) əsaslanan təkmilləşdirilmiş üsuldur. Metod ilk dəfə 1995-ci ildə İsveçin Linkopinq Universitetinin Kordina və başqaları tərəfindən təklif edilmişdir.
Böyümə strukturu diaqramı şəkildə göstərilmişdir:

Eksenel və radial temperatur sahələri, qrafit titasının xarici istilik izolyasiya şərtlərinə nəzarət etməklə idarə oluna bilər. SiC tozu daha yüksək temperaturda olan qrafit tigelin dibinə yerləşdirilir və SiC toxum kristalı daha aşağı temperaturda qrafit tigesinin yuxarı hissəsində sabitlənir. Toz və toxum arasındakı məsafə ümumiyyətlə böyüyən tək kristal və toz arasında təmasın qarşısını almaq üçün onlarla millimetr olaraq idarə olunur. Temperatur qradiyenti adətən 15-35 ℃/sm aralığında olur. Konveksiyanı artırmaq üçün sobada 50-5000 Pa inert qaz saxlanılır. Bu şəkildə, SiC tozu induksiya ilə qızdırılmaqla 2000-2500 ℃-ə qədər qızdırıldıqdan sonra SiC tozu sublimasiya ediləcək və Si, Si2C, SiC2 və digər buxar komponentlərinə parçalanacaq və qaz konveksiyası ilə toxum ucuna daşınacaq və SiC kristalı tək kristal artımına nail olmaq üçün toxum kristalında kristallaşdırılır. Onun tipik böyümə sürəti 0,1-2 mm/saatdır.

PVT prosesi böyümə temperaturu, temperatur qradiyenti, böyümə səthi, material səthi məsafəsi və böyümə təzyiqinin idarə edilməsinə diqqət yetirir, onun üstünlüyü ondan ibarətdir ki, onun prosesi nisbətən yetkindir, xammalın istehsalı asandır, dəyəri aşağıdır, lakin böyümə prosesi PVT metodunu müşahidə etmək çətindir, kristal artım sürəti 0,2-0,4 mm/saat, qalınlığı böyük olan (>50 mm) kristalları yetişdirmək çətindir. Onilliklər boyu davam edən səylərdən sonra, PVT üsulu ilə yetişdirilən SiC substratlı vaflilər üçün mövcud bazar çox böyük olmuşdur və SiC substratlı vaflilərin illik istehsalı yüz minlərlə vafliə çata bilər və ölçüsü tədricən 4 düymdən 6 düymədək dəyişir. , və 8 düymlük SiC substrat nümunələri hazırlamışdır.

 

Beşinci,Yüksək temperaturda kimyəvi buxar çökdürmə üsulu

 

Yüksək Temperaturda Kimyəvi Buxar Çöküntüsü (HTCVD) Kimyəvi Buxar Depozitinə (CVD) əsaslanan təkmilləşdirilmiş üsuldur. Metod ilk dəfə 1995-ci ildə İsveçin Linkopinq Universitetinin Kordina və başqaları tərəfindən təklif edilmişdir.
Böyümə strukturu diaqramı şəkildə göstərilmişdir:

SiC kristalı maye faza üsulu ilə yetişdirildikdə, köməkçi məhlulun içərisində temperatur və konveksiya paylanması şəkildə göstərilmişdir:

Görünür ki, köməkçi məhlulda tige divarının yaxınlığında temperatur daha yüksək, toxum kristalında isə daha aşağıdır. Böyümə prosesi zamanı qrafit pota kristal böyüməsi üçün C mənbəyini təmin edir. Tita divarındakı temperatur yüksək, C-nin həllolma qabiliyyəti böyük və həll olunma sürəti sürətli olduğu üçün, C-nin doymuş məhlulunu yaratmaq üçün çox miqdarda C tige divarında həll ediləcək. Bu məhlullar böyük miqdarda Həll edilmiş C-si köməkçi məhlul daxilində konveksiya yolu ilə toxum kristallarının aşağı hissəsinə daşınacaqdır. Toxum kristal ucunun temperaturu aşağı olduğundan, müvafiq C-nin həllolma qabiliyyəti müvafiq olaraq azalır və ilkin C-doymuş məhlul bu şəraitdə aşağı temperatur ucuna köçürüldükdən sonra C-nin həddindən artıq doymuş məhluluna çevrilir. Köməkçi məhlulda Si ilə birləşdirilmiş məhlulda suprataturasiya edilmiş C toxum kristalında SiC kristal epitaksial böyüyə bilər. C-nin superforasiya olunmuş hissəsi çökdükdə məhlul konveksiya ilə tige divarının yüksək temperaturlu ucuna qayıdır və doymuş məhlul yaratmaq üçün yenidən C-ni həll edir.

Bütün proses təkrarlanır və SiC kristalı böyüyür. Maye fazanın böyüməsi prosesində C-nin məhlulda həll edilməsi və çökməsi böyümənin inkişafının çox vacib bir göstəricisidir. Stabil kristal böyüməsini təmin etmək üçün, C-nin tige divarında əriməsi ilə toxumun sonundakı yağıntı arasında tarazlığı saxlamaq lazımdır. Əgər C-nin həlli C-nin çökməsindən çox olarsa, o zaman kristalda olan C tədricən zənginləşir və SiC-nin kortəbii nüvələşməsi baş verir. Əgər C-nin həlli C-nin çöküntüsündən az olarsa, həll olunan maddənin olmaması səbəbindən kristal böyüməsini həyata keçirmək çətin olacaq.
Eyni zamanda, C-nin konveksiya ilə nəqli böyümə zamanı C-nin tədarükünə də təsir göstərir. Kifayət qədər yaxşı kristal keyfiyyəti və kifayət qədər qalınlığı olan SiC kristallarını yetişdirmək üçün yuxarıda göstərilən üç elementin tarazlığını təmin etmək lazımdır ki, bu da SiC maye fazasının böyüməsinin çətinliyini xeyli artırır. Bununla belə, əlaqəli nəzəriyyə və texnologiyaların tədricən təkmilləşdirilməsi və təkmilləşdirilməsi ilə SiC kristallarının maye faza artımının üstünlükləri tədricən özünü göstərəcəkdir.
Hazırda Yaponiyada 2 düymlük SiC kristallarının maye faza artımına nail olmaq mümkündür və 4 düymlük kristalların maye faza artımı da inkişaf etdirilir. Hazırda müvafiq yerli tədqiqatlar yaxşı nəticə verməyib və müvafiq tədqiqat işlərini izləmək lazımdır.

 

Yeddinci, SiC kristallarının fiziki və kimyəvi xassələri

 

(1) Mexanik xüsusiyyətlər: SiC kristalları olduqca yüksək sərtliyə və yaxşı aşınma müqavimətinə malikdir. Onun Mohs sərtliyi 9,2 ilə 9,3 arasındadır və Krit sərtliyi 2900 ilə 3100Kg/mm2 arasındadır ki, bu da kəşf edilmiş materiallar arasında almaz kristallarından sonra ikincidir. SiC-nin əla mexaniki xassələrinə görə, toz SiC tez-tez kəsmə və ya üyütmə sənayesində istifadə olunur, illik tələbat milyonlarla tona qədərdir. Bəzi iş parçalarında aşınmaya davamlı örtük də SiC örtüyünü istifadə edəcək, məsələn, bəzi döyüş gəmilərindəki aşınmaya davamlı örtük SiC örtüyündən ibarətdir.

(2) İstilik xassələri: SiC-nin istilik keçiriciliyi 3-5 W/sm·K-ə çata bilər ki, bu da ənənəvi yarımkeçirici Si-dən 3 dəfə və GaA-dan 8 dəfə çoxdur. SiC tərəfindən hazırlanmış cihazın istilik istehsalı tez bir zamanda həyata keçirilə bilər, buna görə də SiC cihazının istilik yayılması şərtlərinin tələbləri nisbətən boşdur və yüksək güclü cihazların hazırlanması üçün daha uyğundur. SiC sabit termodinamik xüsusiyyətlərə malikdir. Normal təzyiq şəraitində SiC birbaşa olaraq Si və C daha yüksək olan buxara parçalanacaq.

(3) Kimyəvi xassələri: SiC sabit kimyəvi xüsusiyyətlərə malikdir, yaxşı korroziyaya davamlıdır və otaq temperaturunda heç bir məlum turşu ilə reaksiya vermir. Uzun müddət havada yerləşdirilən SiC yavaş-yavaş daha oksidləşmə reaksiyalarının qarşısını alaraq nazik bir sıx SiO2 təbəqəsi meydana gətirəcəkdir. Temperatur 1700℃-dən yuxarı qalxdıqda, SiO2 nazik təbəqəsi əriyir və sürətlə oksidləşir. SiC ərimiş oksidləşdiricilər və ya əsaslarla yavaş oksidləşmə reaksiyasına məruz qala bilər və SiC vafliləri SiC kristallarında dislokasiyanı xarakterizə etmək üçün adətən ərimiş KOH və Na2O2-də korroziyaya məruz qalır..

(4) Elektrik xassələri: Geniş zolaqlı yarımkeçiricilərin təmsil materialı kimi SiC, 6H-SiC və 4H-SiC bant genişliyi müvafiq olaraq 3.0 eV və 3.2 eV-dir ki, bu da Si-dən 3 dəfə və GaA-dan 2 dəfə çoxdur. SiC-dən hazırlanmış yarımkeçirici qurğular daha kiçik sızma cərəyanına və daha böyük parçalanma elektrik sahəsinə malikdir, buna görə də SiC yüksək güclü cihazlar üçün ideal material hesab olunur. SiC-nin doymuş elektron hərəkətliliyi də Si-dən 2 dəfə yüksəkdir və yüksək tezlikli cihazların hazırlanmasında da aşkar üstünlüklərə malikdir. P-tipli SiC kristalları və ya N-tipli SiC kristalları kristallardakı çirklilik atomlarını doping etməklə əldə edilə bilər. Hazırda P tipli SiC kristalları əsasən Al, B, Be, O, Ga, Sc və digər atomlarla, N tipli sic kristalları isə əsasən N atomları ilə aşqarlanır. Dopinq konsentrasiyası və növü fərqi SiC-nin fiziki və kimyəvi xüsusiyyətlərinə böyük təsir göstərəcəkdir. Eyni zamanda, sərbəst daşıyıcı V kimi dərin səviyyəli dopinqlə mismarlana bilər, müqavimət artırıla bilər və yarı izolyasiya edən SiC kristalı əldə edilə bilər.

(5) Optik xüsusiyyətlər: Nisbətən geniş zolaq boşluğuna görə, qatqısız SiC kristalı rəngsiz və şəffafdır. Dopinglənmiş SiC kristalları fərqli xüsusiyyətlərinə görə müxtəlif rənglər göstərir, məsələn, 6H-SiC N dopinqindən sonra yaşıl olur; 4H-SiC qəhvəyi rəngdədir. 15R-SiC sarıdır. Al ilə aşqarlanmış 4H-SiC mavi görünür. Rəng fərqini müşahidə edərək SiC kristal tipini ayırd etmək üçün intuitiv bir üsuldur. Son 20 ildə SiC ilə əlaqəli sahələr üzrə davamlı tədqiqatlarla əlaqədar texnologiyalarda böyük irəliləyişlər əldə edilmişdir.

 

Səkkizinci,SiC inkişaf statusunun tətbiqi

Hal-hazırda, SiC sənayesi substrat vafliləri, epitaksial vaflilərdən tutmuş cihaz istehsalına, qablaşdırmaya qədər getdikcə mükəmməl hala gəldi, bütün sənaye zənciri yetişdi və bazara SiC ilə əlaqəli məhsulları təmin edə bilər.

Cree, SiC substrat vaflilərinin həm ölçüsündə, həm də keyfiyyətində lider mövqeyə malik olan SiC kristal artım sənayesində liderdir. Cree hazırda ildə 300.000 SiC substrat çipi istehsal edir ki, bu da qlobal tədarüklərin 80%-dən çoxunu təşkil edir.

2019-cu ilin sentyabr ayında Cree, ABŞ-ın Nyu-York əyalətində 200 mm diametrli güc və RF SiC substratlı vafli yetişdirmək üçün ən qabaqcıl texnologiyadan istifadə edəcək yeni bir obyekt inşa edəcəyini açıqladı. daha yetkin olmaq.

Hazırda bazarda SiC substrat çiplərinin əsas məhsulları əsasən 2-6 düymlük 4H-SiC və 6H-SiC keçirici və yarı izolyasiyalı növlərdir.
2015-ci ilin oktyabrında Cree, N-tipli və LED üçün 200 mm SiC substratlı vafliləri bazara çıxaran ilk şirkət oldu ki, bu da bazara 8 düymlük SiC substratlı vaflilərin başlanğıcını qeyd etdi.
2016-cı ildə Romm Venturi komandasına sponsorluq etməyə başladı və ənənəvi 200 kVt inverterdə IGBT + Si FRD həllini əvəz etmək üçün avtomobildə IGBT + SiC SBD birləşməsindən istifadə edən ilk oldu. Təkmilləşdirmədən sonra eyni gücü saxlamaqla çeviricinin çəkisi 2 kq, ölçüsü isə 19% azalır.

2017-ci ildə SiC MOS + SiC SBD-nin sonrakı qəbulundan sonra nəinki çəki 6 kq, ölçüsü 43% azaldı, həmçinin çeviricinin gücü 200 kVt-dan 220 kVt-a qədər artırıldı.
Tesla 2018-ci ildə Model 3 məhsullarının əsas sürücülük çeviricilərində SIC əsaslı cihazları qəbul etdikdən sonra nümayiş effekti sürətlə gücləndi və xEV avtomobil bazarını tezliklə SiC bazarı üçün həyəcan mənbəyinə çevirdi. SiC-nin uğurlu tətbiqi ilə əlaqədar bazar çıxış dəyəri də sürətlə artmışdır.

Doqquzuncu,Nəticə:

SiC ilə əlaqəli sənaye texnologiyalarının davamlı təkmilləşdirilməsi ilə onun məhsuldarlığı və etibarlılığı daha da yaxşılaşacaq, SiC cihazlarının qiyməti də azalacaq və SiC-nin bazar rəqabət qabiliyyəti daha aydın olacaqdır. Gələcəkdə SiC cihazları avtomobil, rabitə, elektrik şəbəkələri və nəqliyyat kimi müxtəlif sahələrdə daha geniş istifadə olunacaq və məhsul bazarı daha da genişlənəcək və bazarın həcmi daha da genişlənərək milli məhsuldarlığa mühüm dəstək olacaq. iqtisadiyyat.