Nkhani - Kapangidwe ndi kakulidwe ka silicon carbide (Ⅱ)

Chachinayi, njira yosinthira nthunzi yathupi

ThePhysical vapor transport (PVT)njira inachokera ku nthunzi gawo sublimation luso anatulukira Lely mu 1955. The SiC ufa amaikidwa mu chubu graphite ndi kutenthedwa kutentha kwambiri kuwola ndi sublimate SiC ufa, ndiyeno graphite chubu utakhazikika. Pambuyo pakuwola kwa ufa wa SiC, zigawo za gawo la nthunzi zimayikidwa ndikuwunikiridwa mu makhiristo a SiC kuzungulira chubu la graphite. Ngakhale kuti njirayi imapangitsa kuti zikhale zovuta kupeza makhiristo amtundu umodzi wa SiC, ndipo ndondomeko yoyikapo mu chubu cha graphite ndizovuta kulamulira, imapereka malingaliro kwa ochita kafukufuku wotsatira.
Ym Terairov et al. ku Russia adayambitsa lingaliro la makhiristo a mbewu pamaziko awa ndikuthetsa vuto la mawonekedwe osasinthika a kristalo ndi malo a nucleation a makristasi a SiC. Ofufuza omwe adatsatira adapitilizabe kuchita bwino ndipo pomaliza pake adapanga njira yoyendera gasi (PVT) pakugwiritsa ntchito mafakitale masiku ano.

Monga njira yoyambilira ya SiC crystal kukula, njira yosinthira nthunzi yakuthupi ndiyo njira yokulirapo ya SiC crystal kukula. Poyerekeza ndi njira zina, njirayi ili ndi zofunikira zochepa pazida zokulirapo, njira yosavuta yakukula, kuwongolera mwamphamvu, chitukuko chambiri, ndi kafukufuku, ndipo yazindikira kugwiritsa ntchito mafakitale. Mapangidwe a kristalo omwe amakula ndi njira yamakono ya PVT ikuwonetsedwa pachithunzichi.

Magawo a kutentha kwa axial ndi ma radial amatha kuwongoleredwa poyang'anira kunja kwa kutentha kwa kutentha kwa graphite crucible. Ufa wa SiC umayikidwa pansi pa graphite crucible ndi kutentha kwakukulu, ndipo kristalo ya mbewu ya SiC imayikidwa pamwamba pa graphite crucible pa kutentha kochepa. Mtunda wapakati pa ufa ndi mbewu nthawi zambiri umayendetsedwa kukhala mamilimita makumi kuti asagwirizane ndi kristalo womwe ukukula ndi ufa. Kutentha kwapakati nthawi zambiri kumakhala 15-35 ℃/cm. Mpweya wopanda mpweya wa 50-5000 Pa umasungidwa mu ng'anjo kuti uwonjezere kusuntha. Mwanjira imeneyi, ufa wa SiC ukatenthedwa mpaka 2000-2500 ℃ ndi kutentha kolowera, ufa wa SiC udzasungunuka ndikuwola kukhala Si, Si2C, SiC2 ndi zigawo zina za nthunzi, ndikutumizidwa kumapeto kwa mbewu ndi kutulutsa mpweya, ndipo SiC crystal imawunikiridwa pa kristalo wa mbewu kuti ikwaniritse kukula kwa kristalo imodzi. Kukula kwake komweko ndi 0.1-2mm / h.

PVT ndondomeko imayang'ana pa kuwongolera kutentha kwa kukula, kutentha kwa kutentha, kukula pamwamba, malo otsetsereka a zinthu, ndi kuthamanga kwa kukula, ubwino wake ndi wakuti ndondomeko yake ndi yokhwima, zopangira ndizosavuta kupanga, mtengo wake ndi wotsika, koma kukula kwake. Njira ya PVT ndiyovuta kuwona, kukula kwa kristalo kwa 0.2-0.4mm / h, ndizovuta kukula makhiristo ndi makulidwe akulu (> 50mm). Pambuyo pazaka makumi ambiri akuyesayesa mosalekeza, msika wamakono wa zowotcha za SiC zomwe zakula ndi njira ya PVT zakhala zazikulu kwambiri, ndipo kutulutsa kwapachaka kwa SiC substrate wafers kumatha kufikira mazana masauzande a zowotcha, ndipo kukula kwake kukusintha pang'onopang'ono kuchoka pa mainchesi 4 mpaka 6. mainchesi, ndipo apanga 8 mainchesi a magawo a gawo la SiC.

Chachisanu, Kutentha kwambiri kwa mankhwala opangira nthunzi

High-Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD) ndi njira yowongoleredwa yotengera Chemical Vapor Deposition (CVD). Njirayi idaperekedwa koyamba mu 1995 ndi Kordina et al., Linkoping University, Sweden.
Chithunzi cha kukula chikuwonetsedwa pachithunzichi:

SiC crystal ikakula ndi njira yamadzimadzi, kutentha ndi kugawa kwa convection mkati mwa yankho lothandizira kukuwonetsedwa pachithunzichi:

Zitha kuwoneka kuti kutentha pafupi ndi khoma la crucible mu yankho lothandizira ndilokwera, pamene kutentha kwa kristalo wa mbewu kumakhala kochepa. Panthawi ya kukula, graphite crucible imapereka C gwero la kukula kwa kristalo. Chifukwa kutentha kwa khoma la crucible kuli kwakukulu, kusungunuka kwa C ndi kwakukulu, ndipo kusungunuka kumakhala mofulumira, kuchuluka kwa C kudzasungunuka pakhoma la crucible kuti apange yankho lodzaza ndi C. Izi zothetsera ndi kuchuluka kwakukulu wa C wosungunuka udzatumizidwa kumunsi kwa makristasi a mbewu ndi convection mkati mwa njira yothandizira. Chifukwa cha kutentha kochepa kwa mapeto a kristalo wa mbewu, kusungunuka kwa C yofananira kumachepa mofanana, ndipo njira yoyambirira ya C-saturated imakhala yankho la supersaturated la C pambuyo posamutsidwa kumalo otsika kutentha pansi pa chikhalidwe ichi. Supersaturated C mu njira yophatikizidwa ndi Si mu njira yothandizira imatha kukula SiC crystal epitaxial pa kristalo wa mbewu. Pamene gawo la perforated la C likutuluka, yankho limabwerera kumapeto kwa kutentha kwa khoma la crucible ndi convection ndikusungunula C kachiwiri kuti apange yankho lodzaza.

Njira yonseyi ikubwereza, ndipo kristalo ya SiC imakula. Pakukula kwa gawo lamadzimadzi, kusungunuka ndi mvula ya C mu yankho ndilofunika kwambiri pakukula kwakukula. Pofuna kuonetsetsa kukula kwa kristalo, m'pofunika kusunga malire pakati pa kusungunuka kwa C pakhoma la crucible ndi mvula kumapeto kwa mbewu. Ngati kusungunuka kwa C kuli kwakukulu kuposa mvula ya C, ndiye kuti C mu kristalo imalemeretsedwa pang'onopang'ono, ndipo phokoso lodzidzimutsa la SiC lidzachitika. Ngati kusungunuka kwa C kuli kochepa kuposa mvula ya C, kukula kwa kristalo kumakhala kovuta kuchita chifukwa cha kusowa kwa solute.
Nthawi yomweyo, kutumiza kwa C ndi convection kumakhudzanso kupezeka kwa C pakukula. Kuti mukule makhiristo a SiC okhala ndi kristalo wabwino wokwanira komanso makulidwe okwanira, ndikofunikira kuonetsetsa kuti zinthu zitatu zili pamwambazi zikuyenda bwino, zomwe zimakulitsa kwambiri zovuta za kukula kwa gawo lamadzi la SiC. Komabe, ndikuwongolera pang'onopang'ono ndikusintha kwamalingaliro ndi matekinoloje okhudzana, ubwino wa kukula kwamadzimadzi a makristasi a SiC adzawonekera pang'onopang'ono.
Pakalipano, kukula kwamadzimadzi kwa makhiristo a 2-inch SiC kungapezeke ku Japan, ndipo kukula kwamadzimadzi kwa makhiristo a 4-inchi kukupangidwanso. Pakalipano, kafukufuku wapakhomo woyenera sanawone zotsatira zabwino, ndipo m'pofunika kutsata ntchito yofufuza yoyenera.

Chachisanu ndi chiwiri, Thupi ndi mankhwala a SiC makhiristo

(1) Makina amakina: Makhiristo a SiC ali ndi kulimba kwambiri komanso kukana kwabwino. Kuuma kwake kwa Mohs kuli pakati pa 9.2 ndi 9.3, ndipo kuuma kwake kwa Krit kuli pakati pa 2900 ndi 3100Kg / mm2, yomwe ndi yachiwiri kwa makristasi a diamondi pakati pa zipangizo zomwe zapezeka. Chifukwa cha makina abwino kwambiri a SiC, ufa wa SiC umagwiritsidwa ntchito nthawi zambiri m'makampani ocheka kapena opera, ndikufunikira kwapachaka mpaka mamiliyoni a matani. Chophimba chosamva kuvala pazinthu zina zogwirira ntchito chidzagwiritsanso ntchito zokutira za SiC, mwachitsanzo, zokutira zosavala pazombo zina zankhondo zimapangidwa ndi zokutira za SiC.

(2) Thermal properties: Thermal conductivity of SiC can kufika 3-5 W / cm·K, yomwe ili 3 nthawi ya semiconductor yachikhalidwe Si ndi nthawi 8 ya GaAs. Kutentha kwa chipangizo chokonzedwa ndi SiC kumatha kuchitidwa mwamsanga, kotero kuti zofunikira za kutentha kwa chipangizo cha SiC zimakhala zotayirira, ndipo ndizoyenera kukonzekera zipangizo zamphamvu kwambiri. SiC ili ndi mphamvu zokhazikika za thermodynamic. Pansi pazovuta zanthawi zonse, SiC imawola mwachindunji kukhala nthunzi wokhala ndi Si ndi C pamwamba.

(3) Chemical katundu: SiC ali ndi khola mankhwala katundu, zabwino dzimbiri kukana, ndipo sachita ndi asidi odziwika pa firiji. SiC yoyikidwa mumlengalenga kwa nthawi yayitali ipanga pang'onopang'ono wosanjikiza woonda wa SiO2, kuletsa kuwonjezereka kwa okosijeni. Kutentha kukakwera kupitirira 1700 ℃, wosanjikiza woonda wa SiO2 umasungunuka ndikutulutsa okosijeni mwachangu. SiC imatha kusinthidwa pang'onopang'ono ndi ma oxidants osungunuka kapena maziko, ndipo zowotcha za SiC nthawi zambiri zimakhala ndi dzimbiri mu KOH yosungunuka ndi Na2O2 kuti ziwonetse kusungunuka kwa makristalo a SiC.

(4) Mphamvu zamagetsi: SiC monga choyimira choyimira cha bandgap semiconductors, 6H-SiC, ndi 4H-SiC bandgap wides ndi 3.0 eV ndi 3.2 eV motero, yomwe ndi 3 nthawi ya Si ndi 2 nthawi ya GaAs. Zipangizo za Semiconductor zopangidwa ndi SiC zimakhala ndi mafunde ang'onoang'ono otayikira komanso magawo akulu amagetsi owonongeka, kotero SiC imawonedwa ngati chinthu choyenera pazida zamphamvu kwambiri. Kusunthika kwa ma elekitironi kwa SiC ndikokweranso ka 2 kuposa kwa Si, komanso kuli ndi zabwino zowonekera pokonzekera zida zothamanga kwambiri. P-mtundu SiC makhiristo kapena N-mtundu SiC makhiristo angapezeke mwa doping maatomu odetsedwa mu makhiristo. Pakadali pano, makhiristo amtundu wa P-SiC amapangidwa makamaka ndi Al, B, Be, O, Ga, Sc, ndi maatomu ena, ndipo makristalo amtundu wa N-sic amapangidwa makamaka ndi ma atomu a N. Kusiyana kwa ndende ya doping ndi mtundu kudzakhala ndi chiyambukiro chachikulu pathupi ndi mankhwala a SiC. Panthawi imodzimodziyo, chonyamulira chaulere chikhoza kukhomeredwa ndi doping yozama kwambiri monga V, resistivity ikhoza kuwonjezeka, ndipo kristalo ya SiC yotsekemera imatha kupezeka.

(5) Zowoneka: Chifukwa cha kusiyana kwakukulu kwa gulu, kristalo wa SiC wosasunthika ndi wopanda utoto komanso wowonekera. Makristalo a SiC a doped amasonyeza mitundu yosiyanasiyana chifukwa cha katundu wawo wosiyana, mwachitsanzo, 6H-SiC ndi yobiriwira pambuyo pa doping N; 4H-SiC ndi bulauni. 15R-SiC ndi yachikasu. Doped ndi Al, 4H-SiC ikuwoneka buluu. Ndi njira yodziwika bwino yosiyanitsa mtundu wa kristalo wa SiC powona kusiyana kwa mtundu. Ndi kufufuza kosalekeza kwa madera okhudzana ndi SiC m'zaka zapitazi za 20, kupambana kwakukulu kwapangidwa mu matekinoloje okhudzana nawo.

Chachisanu ndi chitatu, Kuyambitsa SiC chitukuko

Pakalipano, makampani a SiC akhala angwiro, kuchokera ku zowotcha zapansi,ndiepitaxialzopyapyalakupanga chipangizo, ndi ma CD, unyolo wonse wa mafakitale wakhwima, ndipo ukhoza kupereka zinthu zokhudzana ndi SiC kumsika.

Cree ndi mtsogoleri pamakampani opanga ma crystal a SiC omwe ali ndi udindo wotsogola mu kukula ndi mtundu wa zowotcha zamtundu wa SiC. Pakali pano Cree imapanga tchipisi tating'ono ta 300,000 SiC pachaka, zomwe zimapitilira 80% yazotumiza padziko lonse lapansi.

Mu Seputembara 2019, Cree idalengeza kuti imanga malo atsopano ku New York State, USA, yomwe idzagwiritse ntchito ukadaulo wapamwamba kwambiri kukulitsa mphamvu ya 200 mm m'mimba mwake ndi ma RF SiC substrate wafers, kuwonetsa kuti ukadaulo wake wokonzekera 200 mm SiC substrate wafika. kukhala okhwima.

Pakadali pano, zinthu zazikuluzikulu za tchipisi tating'onoting'ono za SiC pamsika makamaka 4H-SiC ndi 6H-SiC mitundu yochititsa chidwi komanso yosatsekeredwa ya mainchesi 2-6.
Mu Okutobala 2015, Cree anali woyamba kukhazikitsa zowotcha zamtundu wa 200 mm SiC za mtundu wa N ndi LED, zomwe zikuwonetsa kuyambika kwa magawo 8-inchi a SiC pamsika.
Mu 2016, Romm adayamba kuthandizira gulu la Venturi ndipo anali woyamba kugwiritsa ntchito kuphatikiza kwa IGBT + SiC SBD m'galimoto kuti asinthe njira ya IGBT + Si FRD mu inverter yachikhalidwe ya 200 kW. Pambuyo pakusintha, kulemera kwa inverter kumachepetsedwa ndi 2 kg ndipo kukula kwake kumachepetsedwa ndi 19% ndikusunga mphamvu yomweyo.

Mu 2017, pambuyo pa kukhazikitsidwa kwina kwa SiC MOS + SiC SBD, kulemera kwake kumachepetsedwa ndi 6 kg, koma kukula kwake kunachepetsedwa ndi 43%, ndipo mphamvu ya inverter ikuwonjezeka kuchokera ku 200 kW mpaka 220 kW.
Tesla atatenga zida zozikidwa pa SIC pamakina akuluakulu oyendetsa zinthu za Model 3 mu 2018, zowonetsera zidakulitsidwa mwachangu, ndikupangitsa msika wamagalimoto wa xEV posachedwa kukhala wosangalatsa pamsika wa SiC. Pogwiritsa ntchito bwino SiC, mtengo wake wokhudzana ndi msika wakweranso kwambiri.

Chachisanu ndi chinayi, Mapeto:

Ndi kusintha kosalekeza kwa umisiri wamakampani a SiC, zokolola zake ndi kudalirika kwake kudzapitilizidwa bwino, mtengo wa zida za SiC udzatsitsidwanso, ndipo mpikisano wamsika wa SiC udzakhala wowonekera bwino. M'tsogolomu, zida za SiC zidzagwiritsidwa ntchito kwambiri m'magawo osiyanasiyana monga magalimoto, kulumikizana, ma gridi amagetsi, ndi zoyendera, ndipo msika wazinthu udzakhala wokulirapo, ndipo kukula kwa msika kudzakulitsidwa, kukhala chithandizo chofunikira kudziko lonse lapansi. chuma.