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