Quarto, Método físico de transferência de vapor
O método de transporte físico de vapor (PVT) originou-se da tecnologia de sublimação em fase de vapor inventada por Lely em 1955. O pó de SiC é colocado em um tubo de grafite e aquecido a alta temperatura para decompor e sublimar o pó de SiC, e então o tubo de grafite é resfriado. Após a decomposição do pó de SiC, os componentes da fase vapor são depositados e cristalizados em cristais de SiC ao redor do tubo de grafite. Embora este método seja difícil de obter cristais únicos de SiC de grande tamanho, e o processo de deposição no tubo de grafite seja difícil de controlar, ele fornece idéias para pesquisadores subsequentes.
Ym Terairov et al. na Rússia introduziu o conceito de cristais-semente nesta base e resolveu o problema da forma incontrolável do cristal e da posição de nucleação dos cristais de SiC. Os pesquisadores subsequentes continuaram a melhorar e eventualmente desenvolveram o método de transporte físico em fase gasosa (PVT) em uso industrial hoje.
Como o primeiro método de crescimento de cristais de SiC, o método de transferência física de vapor é o método de crescimento mais comum para o crescimento de cristais de SiC. Comparado com outros métodos, o método tem baixos requisitos para equipamentos de crescimento, processo de crescimento simples, forte controlabilidade, desenvolvimento e pesquisa completos e possui aplicação industrial. A estrutura do cristal cultivado pelo método PVT convencional atual é mostrada na figura.
Os campos de temperatura axial e radial podem ser controlados controlando as condições de isolamento térmico externo do cadinho de grafite. O pó de SiC é colocado no fundo do cadinho de grafite com temperatura mais alta, e o cristal de semente de SiC é fixado no topo do cadinho de grafite com temperatura mais baixa. A distância entre o pó e a semente é geralmente controlada em dezenas de milímetros para evitar o contato entre o cristal único em crescimento e o pó. O gradiente de temperatura geralmente está na faixa de 15-35°C/cm. Um gás inerte de 50-5000 Pa é mantido no forno para aumentar a convecção. Desta forma, depois que o pó de SiC é aquecido a 2.000-2.500 ℃ por aquecimento por indução, o pó de SiC sublimará e se decomporá em Si, Si2C, SiC2 e outros componentes de vapor, e será transportado para a extremidade da semente com convecção de gás, e o O cristal SiC é cristalizado no cristal semente para atingir o crescimento de um único cristal. Sua taxa de crescimento típica é de 0,1-2 mm/h.
O processo PVT concentra-se no controle da temperatura de crescimento, gradiente de temperatura, superfície de crescimento, espaçamento da superfície do material e pressão de crescimento, sua vantagem é que seu processo é relativamente maduro, as matérias-primas são fáceis de produzir, o custo é baixo, mas o processo de crescimento de O método PVT é difícil de observar, taxa de crescimento de cristal de 0,2-0,4 mm/h, é difícil cultivar cristais com grande espessura (> 50 mm). Após décadas de esforços contínuos, o mercado atual de wafers de substrato de SiC cultivados pelo método PVT tem sido muito grande, e a produção anual de wafers de substrato de SiC pode atingir centenas de milhares de wafers, e seu tamanho está mudando gradualmente de 4 polegadas para 6 polegadas , e desenvolveu 8 polegadas de amostras de substrato de SiC.
Quinto,Método de deposição química de vapor em alta temperatura
A Deposição Química de Vapor em Alta Temperatura (HTCVD) é um método aprimorado baseado na Deposição Química de Vapor (CVD). O método foi proposto pela primeira vez em 1995 por Kordina et al., Universidade de Linkoping, Suécia.
O diagrama da estrutura de crescimento é mostrado na figura:
Os campos de temperatura axial e radial podem ser controlados controlando as condições de isolamento térmico externo do cadinho de grafite. O pó de SiC é colocado no fundo do cadinho de grafite com temperatura mais alta, e o cristal de semente de SiC é fixado no topo do cadinho de grafite com temperatura mais baixa. A distância entre o pó e a semente é geralmente controlada em dezenas de milímetros para evitar o contato entre o cristal único em crescimento e o pó. O gradiente de temperatura geralmente está na faixa de 15-35°C/cm. Um gás inerte de 50-5000 Pa é mantido no forno para aumentar a convecção. Desta forma, depois que o pó de SiC é aquecido a 2.000-2.500 ℃ por aquecimento por indução, o pó de SiC sublimará e se decomporá em Si, Si2C, SiC2 e outros componentes de vapor, e será transportado para a extremidade da semente com convecção de gás, e o O cristal SiC é cristalizado no cristal semente para atingir o crescimento de um único cristal. Sua taxa de crescimento típica é de 0,1-2 mm/h.
O processo PVT concentra-se no controle da temperatura de crescimento, gradiente de temperatura, superfície de crescimento, espaçamento da superfície do material e pressão de crescimento, sua vantagem é que seu processo é relativamente maduro, as matérias-primas são fáceis de produzir, o custo é baixo, mas o processo de crescimento de O método PVT é difícil de observar, taxa de crescimento de cristal de 0,2-0,4 mm/h, é difícil cultivar cristais com grande espessura (> 50 mm). Após décadas de esforços contínuos, o mercado atual de wafers de substrato de SiC cultivados pelo método PVT tem sido muito grande, e a produção anual de wafers de substrato de SiC pode atingir centenas de milhares de wafers, e seu tamanho está mudando gradualmente de 4 polegadas para 6 polegadas , e desenvolveu 8 polegadas de amostras de substrato de SiC.
Quinto,Método de deposição química de vapor em alta temperatura
A Deposição Química de Vapor em Alta Temperatura (HTCVD) é um método aprimorado baseado na Deposição Química de Vapor (CVD). O método foi proposto pela primeira vez em 1995 por Kordina et al., Universidade de Linkoping, Suécia.
O diagrama da estrutura de crescimento é mostrado na figura:
Quando o cristal SiC é cultivado pelo método de fase líquida, a temperatura e a distribuição de convecção dentro da solução auxiliar são mostradas na figura:
Pode-se observar que a temperatura próxima à parede do cadinho na solução auxiliar é mais alta, enquanto a temperatura no cristal semente é mais baixa. Durante o processo de crescimento, o cadinho de grafite fornece fonte de C para o crescimento do cristal. Como a temperatura na parede do cadinho é alta, a solubilidade do C é grande e a taxa de dissolução é rápida, uma grande quantidade de C será dissolvida na parede do cadinho para formar uma solução saturada de C. Essas soluções com uma grande quantidade de C dissolvido será transportado para a parte inferior dos cristais-semente por convecção dentro da solução auxiliar. Devido à baixa temperatura da extremidade do cristal semente, a solubilidade do C correspondente diminui correspondentemente, e a solução saturada de C original torna-se uma solução supersaturada de C após ser transferida para a extremidade de baixa temperatura sob esta condição. O C suprataturado em solução combinado com Si em solução auxiliar pode fazer crescer o cristal de SiC epitaxial no cristal de semente. Quando a parte superforada de C precipita, a solução retorna para a extremidade de alta temperatura da parede do cadinho com convecção e dissolve C novamente para formar uma solução saturada.
Todo o processo se repete e o cristal SiC cresce. No processo de crescimento em fase líquida, a dissolução e precipitação de C em solução é um índice muito importante do progresso do crescimento. Para garantir o crescimento estável do cristal, é necessário manter um equilíbrio entre a dissolução do C na parede do cadinho e a precipitação na extremidade da semente. Se a dissolução de C for maior que a precipitação de C, então o C no cristal será gradualmente enriquecido e ocorrerá a nucleação espontânea de SiC. Se a dissolução de C for menor que a precipitação de C, o crescimento do cristal será difícil de realizar devido à falta de soluto.
Ao mesmo tempo, o transporte de C por convecção também afeta o fornecimento de C durante o crescimento. Para cultivar cristais de SiC com qualidade cristalina e espessura suficientes, é necessário garantir o equilíbrio dos três elementos acima, o que aumenta muito a dificuldade de crescimento da fase líquida de SiC. No entanto, com a melhoria gradual e o aprimoramento das teorias e tecnologias relacionadas, as vantagens do crescimento da fase líquida dos cristais de SiC aparecerão gradualmente.
Atualmente, o crescimento da fase líquida de cristais de SiC de 2 polegadas pode ser alcançado no Japão, e o crescimento da fase líquida de cristais de 4 polegadas também está sendo desenvolvido. Actualmente, a investigação nacional relevante não tem obtido bons resultados, sendo necessário dar seguimento aos trabalhos de investigação relevantes.
Sétimo, Propriedades físicas e químicas dos cristais de SiC
(1) Propriedades mecânicas: Os cristais de SiC possuem dureza extremamente alta e boa resistência ao desgaste. Sua dureza Mohs está entre 9,2 e 9,3, e sua dureza Krit está entre 2.900 e 3.100Kg/mm2, perdendo apenas para os cristais de diamante entre os materiais descobertos. Devido às excelentes propriedades mecânicas do SiC, o SiC em pó é frequentemente utilizado na indústria de corte ou retificação, com uma demanda anual de até milhões de toneladas. O revestimento resistente ao desgaste em algumas peças também usará revestimento de SiC, por exemplo, o revestimento resistente ao desgaste de alguns navios de guerra é composto de revestimento de SiC.
(2) Propriedades térmicas: a condutividade térmica do SiC pode atingir 3-5 W/cm·K, que é 3 vezes maior que a do Si semicondutor tradicional e 8 vezes maior que a do GaAs. A produção de calor do dispositivo preparado por SiC pode ser rapidamente eliminada, de modo que os requisitos das condições de dissipação de calor do dispositivo SiC são relativamente vagos e é mais adequado para a preparação de dispositivos de alta potência. O SiC possui propriedades termodinâmicas estáveis. Sob condições normais de pressão, o SiC será diretamente decomposto em vapor contendo Si e C em níveis mais elevados..
(3) Propriedades químicas: O SiC possui propriedades químicas estáveis, boa resistência à corrosão e não reage com nenhum ácido conhecido à temperatura ambiente. O SiC colocado no ar por um longo período formará lentamente uma fina camada de SiO2 denso, evitando novas reações de oxidação. Quando a temperatura sobe para mais de 1700°C, a fina camada de SiO2 derrete e oxida rapidamente. O SiC pode sofrer uma reação de oxidação lenta com oxidantes ou bases fundidas, e as pastilhas de SiC são geralmente corroídas em KOH e Na2O2 fundidos para caracterizar o deslocamento em cristais de SiC.
(4) Propriedades elétricas: SiC como um material representativo de semicondutores de banda larga, as larguras de banda 6H-SiC e 4H-SiC são 3,0 eV e 3,2 eV, respectivamente, o que é 3 vezes maior que o Si e 2 vezes maior que o GaAs. Dispositivos semicondutores feitos de SiC possuem menor corrente de fuga e maior campo elétrico de ruptura, portanto o SiC é considerado um material ideal para dispositivos de alta potência. A mobilidade eletrônica saturada do SiC também é 2 vezes maior que a do Si, e também apresenta vantagens óbvias na preparação de dispositivos de alta frequência. Cristais de SiC tipo P ou cristais de SiC tipo N podem ser obtidos dopando os átomos de impureza nos cristais. Atualmente, os cristais de SiC do tipo P são dopados principalmente por Al, B, Be, O, Ga, Sc e outros átomos, e os cristais de SiC do tipo N são dopados principalmente por átomos de N. A diferença de concentração e tipo de dopagem terá um grande impacto nas propriedades físicas e químicas do SiC. Ao mesmo tempo, o transportador livre pode ser atingido pela dopagem de nível profundo, como V, a resistividade pode ser aumentada e o cristal SiC semi-isolante pode ser obtido.
(5) Propriedades ópticas: Devido ao intervalo de banda relativamente amplo, o cristal de SiC não dopado é incolor e transparente. Os cristais de SiC dopados apresentam cores diferentes devido às suas propriedades diferentes, por exemplo, 6H-SiC fica verde após dopagem com N; 4H-SiC é marrom. 15R-SiC é amarelo. Dopado com Al, o 4H-SiC aparece em azul. É um método intuitivo para distinguir o tipo de cristal de SiC observando a diferença de cor. Com a pesquisa contínua em campos relacionados ao SiC nos últimos 20 anos, grandes avanços foram feitos em tecnologias relacionadas.
Oitavo,Introdução do status de desenvolvimento do SiC
Atualmente, a indústria de SiC tornou-se cada vez mais perfeita, desde wafers de substrato, wafers epitaxiais até produção de dispositivos e embalagens, toda a cadeia industrial amadureceu e pode fornecer produtos relacionados ao SiC ao mercado.
A Cree é líder na indústria de crescimento de cristais de SiC, com uma posição de liderança em tamanho e qualidade de wafers de substrato de SiC. A Cree produz atualmente 300.000 chips de substrato de SiC por ano, representando mais de 80% das remessas globais.
Em setembro de 2019, a Cree anunciou que construirá uma nova instalação no estado de Nova York, EUA, que usará a tecnologia mais avançada para aumentar a potência de 200 mm de diâmetro e wafers de substrato RF SiC, indicando que sua tecnologia de preparação de material de substrato SiC de 200 mm tem tornar-se mais maduro.
Atualmente, os principais produtos de chips de substrato de SiC no mercado são principalmente tipos condutores e semi-isolados 4H-SiC e 6H-SiC de 2 a 6 polegadas.
Em outubro de 2015, a Cree foi a primeira a lançar wafers de substrato SiC de 200 mm para tipo N e LED, marcando o início dos wafers de substrato SiC de 8 polegadas no mercado.
Em 2016, Romm passou a patrocinar a equipe Venturi e foi o primeiro a utilizar a combinação IGBT + SiC SBD no carro para substituir a solução IGBT + Si FRD no tradicional inversor de 200 kW. Após a melhoria, o peso do inversor é reduzido em 2 kg e o tamanho é reduzido em 19% mantendo a mesma potência.
Em 2017, após a adoção do SiC MOS + SiC SBD, não apenas o peso foi reduzido em 6 kg, o tamanho foi reduzido em 43% e a potência do inversor também aumentou de 200 kW para 220 kW.
Depois que a Tesla adotou dispositivos baseados em SIC nos principais inversores de seus produtos Modelo 3 em 2018, o efeito de demonstração foi rapidamente amplificado, tornando o mercado automotivo xEV logo uma fonte de entusiasmo para o mercado de SiC. Com a aplicação bem sucedida do SiC, o valor da sua produção de mercado também aumentou rapidamente.
Nono,Conclusão:
Com a melhoria contínua das tecnologias da indústria relacionadas ao SiC, seu rendimento e confiabilidade serão melhorados ainda mais, o preço dos dispositivos de SiC também será reduzido e a competitividade do SiC no mercado será mais óbvia. No futuro, os dispositivos SiC serão mais amplamente utilizados em vários campos, como automóveis, comunicações, redes elétricas e transporte, e o mercado do produto será mais amplo e o tamanho do mercado será ainda mais expandido, tornando-se um importante suporte para o mercado nacional. economia.
Horário da postagem: 25 de janeiro de 2024