Struktur û teknolojiya mezinbûna karbîdê silicon (Ⅱ)

Çarem, Rêbaza veguheztina buhara fizîkî

Rêbaza veguheztina buhara fizîkî (PVT) ji teknolojiya sublimasyona qonaxa buharê ya ku ji hêla Lely ve di sala 1955-an de hatî îcadkirin derket holê. Toza SiC di lûleyek grafît de tê danîn û di germahiya bilind de tê germ kirin da ku toza SiC hilweşîne û binav bike, û dûv re lûleya grafît tê sar kirin. Piştî hilweşîna toza SiC, pêkhateyên qonaxa buharê têne razandin û li dora lûleya grafît di nav krîstalên SiC de têne kristalîze kirin. Her çend ev rêbaz zehmet e ku meriv krîstalên SiC yên mezin bi dest bixe, û kontrolkirina pêvajoya hilweşandinê di lûleya grafît de dijwar e, ew ji lêkolînerên paşerojê re ramanan peyda dike.
Ym Terairov et al. li Rûsyayê têgeha krîstalên tovê li ser vê bingehê destnîşan kir, û pirsgirêka şeklê krîstal û pozîsyona navokî ya krîstalên SiC ya bê kontrol çareser kir. Lêkolînerên paşîn berdewam kirin ku çêtir bikin û di dawiyê de di karanîna pîşesaziyê de îro rêbaza veguhastina qonaxa gazê ya laşî (PVT) pêşve xistin.

Wekî rêbaza pêşîn a mezinbûna krîstalê ya SiC, rêbaza veguheztina vaporê ya laşî ji bo mezinbûna krîstala SiC rêbaza mezinbûna herî sereke ye. Li gorî rêbazên din, rêbaz ji bo alavên mezinbûnê, pêvajoya mezinbûnê ya hêsan, kontrolkirina bihêz, pêşkeftin û lêkolînek bêkêmasî hewcedariyên kêm kêm e, û serîlêdana pîşesaziyê fam kiriye. Struktura krîstala ku bi rêbaza PVT-ya sereke ya heyî hatî mezin kirin di wêneyê de tê xuyang kirin.

Zeviyên germahiya axial û radial dikarin bi kontrolkirina şert û mercên îzolasyona germî ya derveyî ya tîrêjê grafît werin kontrol kirin. Toza SiC li binê xaça grafîtê bi germahiyek bilindtir tê danîn, û krîstala tovê SiC bi germahiyek nizm li jorê xaça grafîtê tê sabît kirin. Dûrahiya di navbera toz û tovê de bi gelemperî bi deh mîlîmetre tê kontrol kirin da ku ji têkiliya di navbera yek krîstal û tozê de ku mezin dibe nemîne. Germahiya germê bi gelemperî di navbera 15-35 ℃ / cm de ye. Gazek bêhêz a 50-5000 Pa di firnê de tê hilanîn da ku konveksiyonê zêde bike. Bi vî rengî, piştî ku toza SiC bi germkirina induksiyonê heya 2000-2500 ℃ tê germ kirin, toza SiC dê di nav Si, Si2C, SiC2 û pêkhateyên din ên buharê de bişewite û hilweşe, û bi veguheztina gazê ber bi dawiya tovê ve were veguheztin, û Krîstala SiC li ser krîstala tovê tê krîstalîze kirin da ku mezinbûna yek krîstal bigihîje. Rêjeya mezinbûna wê ya gelemperî 0,1-2 mm / h e.

Pêvajoya PVT li ser kontrolkirina germahiya mezinbûnê, pilana germahiyê, rûbera mezinbûnê, cîhê rûbera materyalê û zexta mezinbûnê balê dikişîne, feydeya wê ev e ku pêvajoya wê bi qasê gihîştî ye, hilberandina madeyên xav hêsan e, lêçûn kêm e, lê pêvajoya mezinbûnê Rêbaza PVT-yê dijwar e ku meriv çavdêriyê bike, rêjeya mezinbûna krîstal 0,2-0,4 mm / h, dijwar e ku meriv krîstalên bi qelewbûna mezin (> 50 mm) mezin bibe. Piştî hewildanên domdar ên dehsalan, bazara heyî ya waferên substratê yên SiC ku bi rêbaza PVT ve hatî mezin kirin pir mezin bûye, û hilberîna salane ya waferên substratê SiC dikare bigihîje bi sed hezaran waferan, û mezinahiya wê gav bi gav ji 4 înç berbi 6 înç diguhere. , û 8 înç nimûneyên substratê SiC pêşxistiye.

 

Pêncem,Rêbaza hilweşandina buhara kîmyewî ya germahiya bilind

 

Depokirina Vapora Kîmyewî ya Germahiya Bilind (HTCVD) rêbazek çêtir e ku li ser bingeha Depokirina Vapora Kîmyewî (CVD) ye. Rêbaz cara yekem di sala 1995 de ji aliyê Kordina et al., Zanîngeha Linkoping, Swêd ve hate pêşniyar kirin.
Di wêneyê de nexşeya avahiya mezinbûnê tê nîşandan:

Zeviyên germahiya axial û radial dikarin bi kontrolkirina şert û mercên îzolasyona germî ya derveyî ya tîrêjê grafît werin kontrol kirin. Toza SiC li binê xaça grafîtê bi germahiyek bilindtir tê danîn, û krîstala tovê SiC bi germahiyek nizm li jorê xaça grafîtê tê sabît kirin. Dûrahiya di navbera toz û tovê de bi gelemperî bi deh mîlîmetre tê kontrol kirin da ku ji têkiliya di navbera yek krîstal û tozê de ku mezin dibe nemîne. Germahiya germê bi gelemperî di navbera 15-35 ℃ / cm de ye. Gazek bêhêz a 50-5000 Pa di firnê de tê hilanîn da ku konveksiyonê zêde bike. Bi vî rengî, piştî ku toza SiC bi germkirina induksiyonê heya 2000-2500 ℃ tê germ kirin, toza SiC dê di nav Si, Si2C, SiC2 û pêkhateyên din ên buharê de bişewite û hilweşe, û bi veguheztina gazê ber bi dawiya tovê ve were veguheztin, û Krîstala SiC li ser krîstala tovê tê krîstalîze kirin da ku mezinbûna yek krîstal bigihîje. Rêjeya mezinbûna wê ya gelemperî 0,1-2 mm / h e.

Pêvajoya PVT li ser kontrolkirina germahiya mezinbûnê, pilana germahiyê, rûbera mezinbûnê, cîhê rûbera materyalê û zexta mezinbûnê balê dikişîne, feydeya wê ev e ku pêvajoya wê bi qasê gihîştî ye, hilberandina madeyên xav hêsan e, lêçûn kêm e, lê pêvajoya mezinbûnê Rêbaza PVT-yê dijwar e ku meriv çavdêriyê bike, rêjeya mezinbûna krîstal 0,2-0,4 mm / h, dijwar e ku meriv krîstalên bi qelewbûna mezin (> 50 mm) mezin bibe. Piştî hewildanên domdar ên dehsalan, bazara heyî ya waferên substratê yên SiC ku bi rêbaza PVT ve hatî mezin kirin pir mezin bûye, û hilberîna salane ya waferên substratê SiC dikare bigihîje bi sed hezaran waferan, û mezinahiya wê gav bi gav ji 4 înç berbi 6 înç diguhere. , û 8 înç nimûneyên substratê SiC pêşxistiye.

 

Pêncem,Rêbaza hilweşandina buhara kîmyewî ya germahiya bilind

 

Depokirina Vapora Kîmyewî ya Germahiya Bilind (HTCVD) rêbazek çêtir e ku li ser bingeha Depokirina Vapora Kîmyewî (CVD) ye. Rêbaz cara yekem di sala 1995 de ji aliyê Kordina et al., Zanîngeha Linkoping, Swêd ve hate pêşniyar kirin.
Di wêneyê de nexşeya avahiya mezinbûnê tê nîşandan:

Dema ku krîstal SiC bi rêbaza qonaxa şil tê mezin kirin, germahî û belavkirina vekêşanê di hundurê çareseriya alîkar de di wêneyê de têne xuyang kirin:

Dikare were dîtin ku germahiya li nêzê dîwarê qirikê di çareseriya alîkar de bilindtir e, dema ku germahiya li krîstala tovê kêmtir e. Di dema pêvajoya mezinbûnê de, xaça grafît ji bo mezinbûna krîstal çavkaniya C peyda dike. Ji ber ku germahiya li dîwarê xaçê bilind e, helbûna C mezin e, û rêjeya hilweşandinê bilez e, dê mîqdarek mezin ji C li dîwarê xaçê were hilweşandin û çareseriyek têrbûyî ya C çêbike. C-ya ku hatî hilweşandin dê bi veguheztinê di nav çareseriya alîkar de berbi beşa jêrîn a krîstalên tovê ve were veguheztin. Ji ber germahiya nizm ya dawiya krîstal a tovê, çareserbûna C-ya têkildar bi vî rengî kêm dibe, û çareseriya C-ya têrbûyî ya orîjînal piştî ku di binê vê rewşê de berbi dawiya germahiya nizm ve tê veguheztin, dibe çareyek pir têrbûyî ya C. C-ya suprataturated di çareseriyê de bi Si-yê re di çareseriya alîkar de dikare krîstala SiC-ê li ser krîstala tovê epîtaksial mezin bibe. Dema ku beşa superforkirî ya C-ê diherike, çareserî bi vekêşanê vedigere dawiya germahiya bilind a dîwarê kerpîçê, û C dîsa dihele û çareseriyek têrbûyî pêk tîne.

Tevahiya pêvajoyê dubare dibe, û krîstala SiC mezin dibe. Di pêvajoya mezinbûna qonaxa şil de, hilweşandin û barîna C di çareseriyê de nîşanek pir girîng a pêşveçûna mezinbûnê ye. Ji bo ku mezinbûna krîstal a bi îstîqrar were misoger kirin, pêdivî ye ku meriv hevsengiyek di navbera hilweşîna C ya li dîwarê qirikê û barîna li dawiya tovê de biparêze. Ger belavbûna C ji barîna C mezintir be, wê hingê C di krîstalê de hêdî hêdî dewlemend dibe, û nucleasyona xweber a SiC dê çêbibe. Ger belavbûna C ji barîna C kêmtir be, mezinbûna krîstal dê ji ber nebûna sosê dijwar be.
Di heman demê de, veguheztina C ya bi konveksyonê jî bandorê li peydakirina C di dema mezinbûnê de dike. Ji bo ku krîstalên SiC bi qalîteya krîstal a têra xwe baş û qalindahiya têr mezin bibin, pêdivî ye ku hevsengiya sê hêmanên jorîn were peyda kirin, ku ev yek dijwariya mezinbûna qonaxa şil a SiC pir zêde dike. Lêbelê, digel başbûn û başkirina gav bi gav teorî û teknolojiyên têkildar, dê avantajên mezinbûna qonaxa şil a krîstalên SiC hêdî hêdî nîşan bidin.
Heya nuha, mezinbûna qonaxa şil a krîstalên 2-inch SiC dikare li Japonya were bidestxistin, û mezinbûna qonaxa şil a krîstalên 4-inch jî tê pêşve xistin. Heya niha, lêkolînên navxweyî yên têkildar encamên baş nedîtine, û pêdivî ye ku xebata lêkolînê ya têkildar were şopandin.

 

Heftem, Taybetmendiyên fizîkî û kîmyayî yên krîstalên SiC

 

(1) Taybetmendiyên mekanîkî: Krîstalên SiC xwedan serhişkiya zehf bilind û berxwedana cilê ya baş in. Serhişkiya wê ya Mohs di navbera 9,2 û 9,3 de ye, û hişkiya wê ya Krit di navbera 2900 û 3100 Kg/mm2 de ye, ku di nav materyalên ku hatine keşif kirin de piştî krîstalên almasê duyemîn e. Ji ber taybetmendiyên mekanîkî yên hêja yên SiC, toz SiC bi gelemperî di pîşesaziya birrîn an qirkirinê de, bi daxwazek salane ya bi mîlyonan ton tê bikar anîn. Çêkirina berxwedêr a li ser hin perçeyên xebatê jî dê pêlava SiC bikar bîne, ji bo nimûne, cilê-berxwedêr li ser hin keştiyên şer ji cilê SiC pêk tê.

(2) Taybetmendiyên germî: Germiya germî ya SiC dikare bigihîje 3-5 W / cm · K, ku 3 caran ji ya nîvconductor Si-ya kevneşopî û 8 carî ya GaAs e. Hilberîna germê ya cîhaza ku ji hêla SiC ve hatî amadekirin dikare bi lez were meşandin, ji ber vê yekê hewcedariyên şert û mercên belavbûna germê ya cîhaza SiC bi rêkûpêk sist in, û ew ji bo amadekirina cîhazên bi hêza bilind maqûltir e. SiC xwedan taybetmendiyên termodinamîkî yên domdar e. Di bin şert û mercên zexta normal de, SiC dê rasterast di nav buhara ku di nav wan de Si û C-ya bilindtir heye, were hilweşandin.

(3) Taybetmendiyên kîmyewî: SiC xwedan taybetmendiyên kîmyewî yên domdar, berxwedana korozyonê ya baş e, û di germahiya odeyê de bi asîdek naskirî re reaksiyonê nake. SiC ku ji bo demek dirêj di hewayê de tê danîn dê hêdî hêdî tebeqeyek zirav a SiO2-ya zirav çêbike, û rê li ber reaksiyonên oksîdasyonê yên din bigire. Dema ku germahî ji 1700℃ zêdetir dibe, tebeqeya zirav ya SiO2 zû dihele û oksîde dibe. SiC dikare bi reaksiyonek oksîdasyonê ya hêdî bi oksîdant an bazên şilandî re derbas bibe, û waferên SiC bi gelemperî di KOH û Na2O2-ê de dihelin ku jihevketina di krîstalên SiC de diyar bibin..

(4) Taybetmendiyên elektrîkê: SiC wekî materyalek nûnerê nîvconduktorên bandgapê yên fireh, firehiyên bandgapê 6H-SiC û 4H-SiC bi rêzê ve 3.0 eV û 3.2 eV in, ku 3 caran ji Si û 2 carî ya GaAs e. Amûrên nîv-rêveber ên ku ji SiC-ê hatine çêkirin xwedan herikîna leaksiyonê ya piçûktir û qada elektrîkê ya têkçûnek mezintir e, ji ber vê yekê SiC ji bo cîhazên bi hêza bilind wekî materyalek îdeal tê hesibandin. Tevgera elektronên têrbûyî yên SiC di heman demê de ji ya Si-yê 2 qat zêdetir e, û di amadekirina amûrên frekansa bilind de jî xwedan avantajên eşkere ye. Krîstalên SiC yên tîpa P an jî krîstalên SiC yên tîpa N dikarin bi dopîngkirina atomên nepaqijiyê yên di krîstalan de werin bidestxistin. Heya nuha, krîstalên SiC yên P-type bi giranî ji hêla Al, B, Be, O, Ga, Sc û atomên din ve têne dop kirin, û krîstalên sic ên celeb-N bi giranî ji hêla atomên N ve têne dop kirin. Cûdahiya giraniya dopingê û celeb dê bandorek mezin li ser taybetmendiyên fîzîkî û kîmyewî yên SiC bike. Di heman demê de, hilgirê belaş dikare ji hêla dopîngê ya kûr a mîna V-yê ve were qefilandin, berxwedan dikare were zêdekirin, û krîstala SiC ya nîv-însulasyonê dikare were bidestxistin.

(5) Taybetmendiyên optîkî: Ji ber valahiya bandê ya nisbeten fireh, krîstala SiC ya nevekirî bêreng û zelal e. Krîstalên SiC yên dopîkirî ji ber taybetmendiyên xwe yên cihêreng rengên cûda nîşan didin, mînakî, 6H-SiC piştî dopîngê N kesk e; 4H-SiC qehweyî ye. 15R-SiC zer e. Doped bi Al, 4H-SiC şîn xuya dike. Ew rêbazek xwerû ye ku meriv celebê krîstalê SiC bi çavdêriya cûdahiya reng veqetîne. Bi lêkolîna domdar a li ser qadên têkildarî SiC di 20 salên borî de, di teknolojiyên têkildar de serketinên mezin hatine çêkirin.

 

Heştem,Danasîna rewşa pêşveçûna SiC

Heya nuha, pîşesaziya SiC her ku diçe bêkêmasî bûye, ji waferên substratê, waferên epitaxial bigire heya hilberîna cîhazê, pakkirin, tevahiya zincîra pîşesaziyê mezin bûye, û ew dikare hilberên têkildar ên SiC pêşkêşî bazarê bike.

Cree di pîşesaziya mezinbûna krîstal a SiC de pêşeng e ku hem di mezinahî û hem jî di qalîteya waferên substrate SiC de cîhek pêşeng e. Cree niha salê 300,000 çîpên substratê yên SiC hildiberîne, ku ji% 80-ê barkirina gerdûnî pêk tê.

Di Îlona 2019-an de, Cree ragihand ku ew ê li Dewleta New York, DY, tesîsek nû ava bike, ku dê teknolojiya herî pêşkeftî bikar bîne da ku hêza 200 mm û RF SiC wafers substrate mezin bike, ku destnîşan dike ku teknolojiya wê ya amadekirina materyalê substratê 200 mm SiC heye. mazintir bibin.

Heya nuha, hilberên sereke yên çîpên substratê yên SiC yên li sûkê bi giranî 4H-SiC û 6H-SiC celebên 2-6 înçên rêvebir û nîv-îzolekirî ne.
Di Cotmeha 2015-an de, Cree yekem bû ku 200 mm waferên substratê SiC ji bo N-type û LED-ê da destpêkirin, û destpêka waferên substrate SiC 8-inç ber bi sûkê ve destnîşan kir.
Di sala 2016-an de, Romm dest bi sponsorkirina tîmê Venturi kir û yekem bû ku kombînasyona IGBT + SiC SBD di gerîdeyê de bikar anî da ku li şûna çareseriya IGBT + Si FRD di veguheztina kevneşopî ya 200 kW de cîh bigire. Piştî başbûnê, giraniya inverterê bi 2 kg kêm dibe û mezinahî ji sedî 19 kêm dibe dema ku heman hêzê diparêze.

Di sala 2017-an de, piştî pejirandina din a SiC MOS + SiC SBD, ne tenê giranî 6 kg kêm dibe, mezinahî% 43 kêm dibe, û hêza înverterê jî ji 200 kW bo 220 kW zêde dibe.
Piştî ku Tesla di sala 2018-an de cîhazên bingeha SIC-ê di navberkerên ajokera sereke yên hilberên xwe yên Model 3 de pejirand, bandora xwenîşandanê bi lez zêde bû, ku bazara otomotîvê ya xEV di demek kurt de ji bo bazara SiC-ê kir çavkaniya heyecanê. Bi serîlêdana serfiraz a SiC re, nirxa hilberîna bazarê ya têkildar jî bi lez zêde bûye.

Nehem,Xelasî:

Bi pêşkeftina domdar a teknolojiyên pîşesaziya têkildarî SiC re, dê berberî û pêbaweriya wê bêtir çêtir bibe, dê bihayê cîhazên SiC jî kêm bibe, û pêşbaziya bazarê ya SiC dê bêtir eşkere bibe. Di pêşerojê de, cîhazên SiC dê di warên cûrbecûr de wekî otomobîl, ragihandin, torên elektrîkê, û veguheztinê bi berfirehî werin bikar anîn, û dê bazara hilberê berfirehtir bibe, û mezinahiya bazarê dê berfirehtir bibe, û bibe piştgirîyek girîng ji bo neteweyî. abor.