Dördüncü, Fiziksel buhar transfer yöntemi
Fiziksel buhar taşıma (PVT) yöntemi, 1955 yılında Lely tarafından icat edilen buhar fazlı süblimasyon teknolojisinden kaynaklanır. SiC tozu bir grafit tüpe yerleştirilir ve SiC tozunu ayrıştırmak ve süblimleştirmek için yüksek sıcaklığa ısıtılır ve ardından grafit tüp soğutulur. SiC tozunun ayrışmasından sonra, buhar fazındaki bileşenler biriktirilir ve grafit tüp çevresinde SiC kristalleri halinde kristalleştirilir. Bu yöntemle büyük boyutlu SiC tek kristallerinin elde edilmesi zor olmasına ve grafit tüpte biriktirme işleminin kontrol edilmesi zor olmasına rağmen, sonraki araştırmacılara fikir vermektedir.
Ym Terairov ve ark. Rusya'da bu temelde tohum kristalleri kavramını ortaya attılar ve SiC kristallerinin kontrol edilemeyen kristal şekli ve çekirdeklenme konumu sorununu çözdüler. Daha sonraki araştırmacılar, günümüzde endüstriyel kullanımda fiziksel gaz fazı taşıma (PVT) yöntemini geliştirmeye devam etti ve sonunda geliştirdi.
En eski SiC kristal büyütme yöntemi olan fiziksel buhar transfer yöntemi, SiC kristali büyütme için en yaygın büyüme yöntemidir. Diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında, yöntemin büyüme ekipmanı, basit büyüme süreci, güçlü kontrol edilebilirlik, kapsamlı geliştirme ve araştırma için düşük gereksinimleri vardır ve endüstriyel uygulamayı gerçekleştirmiştir. Mevcut ana akım PVT yöntemiyle büyütülen kristalin yapısı şekilde gösterilmektedir.
Eksenel ve radyal sıcaklık alanları, grafit potanın dış ısı yalıtım koşulları kontrol edilerek kontrol edilebilir. SiC tozu, daha yüksek sıcaklıktaki grafit potanın altına yerleştirilir ve SiC tohum kristali, daha düşük sıcaklıktaki grafit potanın tepesine sabitlenir. Büyüyen tek kristal ile toz arasındaki teması önlemek için toz ile tohum arasındaki mesafe genellikle onlarca milimetre olacak şekilde kontrol edilir. Sıcaklık gradyanı genellikle 15-35°C/cm aralığındadır. Konveksiyonu arttırmak için fırında 50-5000 Pa'lık bir inert gaz tutulur. Bu şekilde, SiC tozu indüksiyonla ısıtma ile 2000-2500 ° C'ye ısıtıldıktan sonra SiC tozu süblimleşecek ve Si, Si2C, SiC2 ve diğer buhar bileşenlerine ayrışacak ve gaz konveksiyonuyla tohum ucuna taşınacak ve Tek kristal büyümesini sağlamak için SiC kristali tohum kristali üzerinde kristalleştirilir. Tipik büyüme hızı 0,1-2 mm/saattir.
PVT işlemi, büyüme sıcaklığının, sıcaklık gradyanının, büyüme yüzeyinin, malzeme yüzey aralığının ve büyüme basıncının kontrolüne odaklanır; avantajı, işleminin nispeten olgun olması, hammaddelerin üretilmesinin kolay olması, maliyetin düşük olmasıdır, ancak büyüme süreci PVT yöntemini gözlemlemek zordur, kristal büyüme hızı 0,2-0,4 mm/saattir, büyük kalınlıkta (>50 mm) kristalleri büyütmek zordur. Onlarca yıl süren sürekli çabalardan sonra, PVT yöntemiyle yetiştirilen SiC substrat levhaları için mevcut pazar çok büyük oldu ve SiC substrat levhalarının yıllık üretimi yüzbinlerce levhaya ulaşabiliyor ve boyutu kademeli olarak 4 inçten 6 inç'e değişiyor. ve 8 inçlik SiC substrat örnekleri geliştirdi.
Beşinci,Yüksek sıcaklıkta kimyasal buhar biriktirme yöntemi
Yüksek Sıcaklıkta Kimyasal Buhar Biriktirme (HTCVD), Kimyasal Buhar Biriktirmeye (CVD) dayalı geliştirilmiş bir yöntemdir. Yöntem ilk olarak 1995 yılında İsveç'teki Linkoping Üniversitesi'nden Kordina ve diğerleri tarafından önerildi.
Büyüme yapısı diyagramı şekilde gösterilmektedir:
Eksenel ve radyal sıcaklık alanları, grafit potanın dış ısı yalıtım koşulları kontrol edilerek kontrol edilebilir. SiC tozu, daha yüksek sıcaklıktaki grafit potanın altına yerleştirilir ve SiC tohum kristali, daha düşük sıcaklıktaki grafit potanın tepesine sabitlenir. Büyüyen tek kristal ile toz arasındaki teması önlemek için toz ile tohum arasındaki mesafe genellikle onlarca milimetre olacak şekilde kontrol edilir. Sıcaklık gradyanı genellikle 15-35°C/cm aralığındadır. Konveksiyonu arttırmak için fırında 50-5000 Pa'lık bir inert gaz tutulur. Bu şekilde, SiC tozu indüksiyonla ısıtma ile 2000-2500 ° C'ye ısıtıldıktan sonra SiC tozu süblimleşecek ve Si, Si2C, SiC2 ve diğer buhar bileşenlerine ayrışacak ve gaz konveksiyonuyla tohum ucuna taşınacak ve Tek kristal büyümesini sağlamak için SiC kristali tohum kristali üzerinde kristalleştirilir. Tipik büyüme hızı 0,1-2 mm/saattir.
PVT işlemi, büyüme sıcaklığının, sıcaklık gradyanının, büyüme yüzeyinin, malzeme yüzey aralığının ve büyüme basıncının kontrolüne odaklanır; avantajı, işleminin nispeten olgun olması, hammaddelerin üretilmesinin kolay olması, maliyetin düşük olmasıdır, ancak büyüme süreci PVT yöntemini gözlemlemek zordur, kristal büyüme hızı 0,2-0,4 mm/saattir, büyük kalınlıkta (>50 mm) kristalleri büyütmek zordur. Onlarca yıl süren sürekli çabalardan sonra, PVT yöntemiyle yetiştirilen SiC substrat levhaları için mevcut pazar çok büyük oldu ve SiC substrat levhalarının yıllık üretimi yüzbinlerce levhaya ulaşabiliyor ve boyutu kademeli olarak 4 inçten 6 inç'e değişiyor. ve 8 inçlik SiC substrat örnekleri geliştirdi.
Beşinci,Yüksek sıcaklıkta kimyasal buhar biriktirme yöntemi
Yüksek Sıcaklıkta Kimyasal Buhar Biriktirme (HTCVD), Kimyasal Buhar Biriktirmeye (CVD) dayalı geliştirilmiş bir yöntemdir. Yöntem ilk olarak 1995 yılında İsveç'teki Linkoping Üniversitesi'nden Kordina ve diğerleri tarafından önerildi.
Büyüme yapısı diyagramı şekilde gösterilmektedir:
SiC kristali sıvı faz yöntemiyle büyütüldüğünde yardımcı çözelti içindeki sıcaklık ve konveksiyon dağılımı şekilde gösterilmiştir:
Yardımcı çözeltide pota duvarına yakın sıcaklığın daha yüksek olduğu, tohum kristalindeki sıcaklığın ise daha düşük olduğu görülebilir. Büyüme süreci sırasında grafit pota, kristal büyümesi için C kaynağı sağlar. Pota duvarındaki sıcaklık yüksek olduğundan, C'nin çözünürlüğü büyük olduğundan ve çözünme hızı hızlı olduğundan, doymuş bir C çözeltisi oluşturmak için pota duvarında büyük miktarda C çözülecektir. Bu çözeltiler büyük miktarda Çözünmüş C'nin miktarı, yardımcı çözelti içinde konveksiyon yoluyla tohum kristallerinin alt kısmına taşınacaktır. Tohum kristal ucunun düşük sıcaklığı nedeniyle karşılık gelen C'nin çözünürlüğü buna bağlı olarak azalır ve orijinal C-doymuş çözelti, bu koşul altında düşük sıcaklık ucuna aktarıldıktan sonra aşırı doymuş bir C çözeltisi haline gelir. Yardımcı çözelti içindeki Si ile birleştirilmiş çözelti içindeki aşırı doymuş C, tohum kristali üzerinde epitaksiyel SiC kristalini büyütebilir. C'nin süperfore edilmiş kısmı çökeldiğinde, çözelti konveksiyonla pota duvarının yüksek sıcaklık ucuna geri döner ve C'yi tekrar çözerek doymuş bir çözelti oluşturur.
Tüm süreç tekrarlanır ve SiC kristali büyür. Sıvı faz büyümesi sürecinde C'nin çözelti içinde çözünmesi ve çökelmesi, büyüme ilerlemesinin çok önemli bir göstergesidir. Kararlı kristal büyümesini sağlamak için, C'nin pota duvarında çözünmesi ile tohum ucunda çökelme arasında bir dengenin korunması gereklidir. C'nin çözünmesi C'nin çökelmesinden daha büyükse, kristaldeki C yavaş yavaş zenginleşir ve SiC'nin kendiliğinden çekirdeklenmesi meydana gelir. C'nin çözünmesi C'nin çökelmesinden daha azsa, çözünen madde eksikliğinden dolayı kristal büyümesinin gerçekleştirilmesi zor olacaktır.
Aynı zamanda C'nin konveksiyonla taşınması büyüme sırasında C'nin arzını da etkiler. Yeterince iyi kristal kalitesine ve yeterli kalınlığa sahip SiC kristallerini büyütmek için yukarıdaki üç elementin dengesini sağlamak gerekir, bu da SiC sıvı faz büyümesinin zorluğunu büyük ölçüde artırır. Bununla birlikte, ilgili teori ve teknolojilerin kademeli olarak geliştirilmesi ve iyileştirilmesiyle, SiC kristallerinin sıvı fazda büyümesinin avantajları yavaş yavaş ortaya çıkacaktır.
Şu anda Japonya'da 2 inçlik SiC kristallerinin sıvı fazda büyümesi sağlanabiliyor ve 4 inçlik kristallerin sıvı fazda büyümesi de geliştiriliyor. Şu anda ilgili yurt içi araştırmalar iyi sonuçlar vermemiştir ve ilgili araştırma çalışmalarının takip edilmesi gerekmektedir.
Yedinci, SiC kristallerinin fiziksel ve kimyasal özellikleri
(1) Mekanik özellikler: SiC kristalleri son derece yüksek sertliğe ve iyi aşınma direncine sahiptir. Mohs sertliği 9,2 ile 9,3 arasında, Krit sertliği ise 2900 ile 3100Kg/mm2 arasında olup, keşfedilen malzemeler arasında elmas kristallerinden sonra ikinci sırada yer almaktadır. SiC'nin mükemmel mekanik özellikleri nedeniyle toz SiC, yıllık milyonlarca tona kadar taleple kesme veya taşlama endüstrisinde sıklıkla kullanılır. Bazı iş parçalarındaki aşınmaya dayanıklı kaplamada ayrıca SiC kaplama kullanılacaktır. örneğin bazı savaş gemilerindeki aşınmaya dayanıklı kaplama SiC kaplamadan oluşur.
(2) Termal özellikler: SiC'nin termal iletkenliği, geleneksel yarı iletken Si'nin 3 katı ve GaAs'ın 8 katı olan 3-5 W/cm·K'ye ulaşabilir. SiC tarafından hazırlanan cihazın ısı üretimi hızlı bir şekilde ortadan kaldırılabilir, dolayısıyla SiC cihazının ısı dağıtım koşullarının gereksinimleri nispeten gevşektir ve yüksek güçlü cihazların hazırlanması için daha uygundur. SiC kararlı termodinamik özelliklere sahiptir. Normal basınç koşulları altında SiC, daha yüksek sıcaklıklarda doğrudan Si ve C içeren buhara ayrışacaktır..
(3) Kimyasal özellikler: SiC, kararlı kimyasal özelliklere, iyi korozyon direncine sahiptir ve oda sıcaklığında bilinen herhangi bir asitle reaksiyona girmez. Uzun süre havaya bırakılan SiC, yavaş yavaş ince bir yoğun SiO2 tabakası oluşturacak ve daha fazla oksidasyon reaksiyonunu önleyecektir. Sıcaklık 1700°C'nin üzerine çıktığında SiO2 ince tabakası hızla erir ve oksitlenir. SiC, erimiş oksidanlar veya bazlarla yavaş bir oksidasyon reaksiyonuna girebilir ve SiC kristalleri, SiC kristallerindeki dislokasyonu karakterize etmek için genellikle erimiş KOH ve Na2O2'de korozyona uğrar..
(4) Elektriksel özellikler: Geniş bant aralıklı yarı iletkenleri temsil eden bir malzeme olarak SiC, 6H-SiC ve 4H-SiC bant aralığı genişlikleri sırasıyla 3,0 eV ve 3,2 eV'dir; bu, Si'nin 3 katı ve GaAs'ın 2 katıdır. SiC'den yapılmış yarı iletken cihazlar daha küçük kaçak akıma ve daha büyük arıza elektrik alanına sahiptir, bu nedenle SiC, yüksek güçlü cihazlar için ideal bir malzeme olarak kabul edilir. SiC'nin doymuş elektron hareketliliği de Si'ninkinden 2 kat daha yüksektir ve yüksek frekanslı cihazların hazırlanmasında da belirgin avantajlara sahiptir. P-tipi SiC kristalleri veya N-tipi SiC kristalleri, kristallerdeki safsızlık atomlarının katkılanmasıyla elde edilebilir. Şu anda, P tipi SiC kristalleri esas olarak Al, B, Be, O, Ga, Sc ve diğer atomlarla katkılıdır ve N tipi sic kristalleri esas olarak N atomları tarafından katkılıdır. Doping konsantrasyonu ve tipindeki farklılık, SiC'nin fiziksel ve kimyasal özellikleri üzerinde büyük bir etkiye sahip olacaktır. Aynı zamanda serbest taşıyıcı V gibi derin seviyeli katkılarla çivilenebilir, özdirenç arttırılabilir ve yarı yalıtkan SiC kristali elde edilebilir.
(5) Optik özellikler: Nispeten geniş bant aralığı nedeniyle katkısız SiC kristali renksiz ve şeffaftır. Katkılı SiC kristalleri, farklı özelliklerinden dolayı farklı renkler gösterir; örneğin, 6H-SiC, N katkılamasından sonra yeşildir; 4H-SiC kahverengidir. 15R-SiC sarıdır. Al katkılı 4H-SiC mavi görünür. Renk farkını gözlemleyerek SiC kristal tipini ayırt etmek sezgisel bir yöntemdir. Son 20 yılda SiC ile ilgili alanlarda yapılan sürekli araştırmalarla ilgili teknolojilerde büyük atılımlar yapıldı.
Sekizinci,SiC geliştirme durumunun tanıtılması
Şu anda SiC endüstrisi, substrat levhalardan, epitaksiyel levhalardan cihaz üretimine, paketlemeye kadar giderek daha mükemmel hale geldi, tüm endüstriyel zincir olgunlaştı ve pazara SiC ile ilgili ürünler tedarik edebilir.
Cree, SiC substrat levhalarının hem boyutunda hem de kalitesinde lider konuma sahip olan SiC kristal büyütme endüstrisinde liderdir. Cree şu anda yılda 300.000 SiC substrat yongası üretiyor ve bu da küresel sevkiyatların %80'inden fazlasını oluşturuyor.
Eylül 2019'da Cree, ABD'nin New York Eyaleti'nde 200 mm çaplı güç ve RF SiC substrat levhaları yetiştirmek için en ileri teknolojiyi kullanacak yeni bir tesis kuracağını duyurdu ve 200 mm SiC substrat malzeme hazırlama teknolojisinin gelişmiş olduğunu belirtti. daha olgun hale gel.
Şu anda piyasadaki SiC substrat çiplerinin ana ürünleri esas olarak 4H-SiC ve 6H-SiC iletken ve 2-6 inçlik yarı yalıtımlı tiplerdir.
Ekim 2015'te Cree, N tipi ve LED için 200 mm SiC substrat plakalarını piyasaya süren ilk şirket oldu ve bu, 8 inç SiC substrat plakalarının pazara sunulmasının başlangıcı oldu.
2016 yılında Romm, Venturi ekibine sponsor olmaya başladı ve geleneksel 200 kW invertördeki IGBT + Si FRD çözümünün yerine arabada IGBT + SiC SBD kombinasyonunu kullanan ilk kişi oldu. İyileştirme sonrasında invertörün ağırlığı 2 kg, boyutu ise aynı güç korunarak %19 oranında azaltılmıştır.
2017 yılında SiC MOS + SiC SBD'nin daha da benimsenmesinin ardından yalnızca ağırlık 6 kg azalmakla kalmadı, boyut da %43 oranında küçültüldü ve invertör gücü de 200 kW'tan 220 kW'a çıkarıldı.
Tesla, 2018 yılında Model 3 ürünlerinin ana sürücü invertörlerinde SIC tabanlı cihazları kullanmaya başladıktan sonra, gösteri etkisi hızla arttı ve xEV otomotiv pazarını kısa sürede SiC pazarı için bir heyecan kaynağı haline getirdi. SiC'nin başarılı bir şekilde uygulanmasıyla ilgili pazar çıktı değeri de hızla arttı.
Dokuzuncu,Çözüm:
SiC ile ilgili endüstri teknolojilerinin sürekli iyileştirilmesiyle verimi ve güvenilirliği daha da artacak, SiC cihazlarının fiyatı da düşecek ve SiC'nin pazardaki rekabet gücü daha belirgin hale gelecektir. Gelecekte SiC cihazları otomobil, iletişim, elektrik şebekeleri ve ulaşım gibi çeşitli alanlarda daha yaygın olarak kullanılacak, ürün pazarı daha geniş olacak ve pazar büyüklüğü daha da genişleyerek ulusal pazar için önemli bir destek haline gelecektir. ekonomi.
Gönderim zamanı: Ocak-25-2024