Kapangidwe ndi kukula kwaukadaulo wa silicon carbide (Ⅱ)

Chachinayi, Njira yosinthira nthunzi yakuthupi

Physical vapor transport (PVT) njira inachokera ku teknoloji ya vapor sublimation yopangidwa ndi Lely mu 1955. SiC ufa imayikidwa mu chubu cha graphite ndikutenthedwa ndi kutentha kwambiri kuti iwononge ndi kutsitsa ufa wa SiC, ndiyeno chubu cha graphite chimakhazikika. Pambuyo pakuwola kwa ufa wa SiC, zigawo za gawo la nthunzi zimayikidwa ndikuwunikiridwa mu makhiristo a SiC kuzungulira chubu la graphite. Ngakhale njira iyi ndi yovuta kupeza makhiristo akulu a SiC amodzi, komanso njira yoyika mu chubu ya graphite ndizovuta kuwongolera, imapereka malingaliro kwa ofufuza otsatira.
Ym Terairov et al. mu Russia anayambitsa lingaliro la makhiristo mbewu pa maziko awa, ndipo anathetsa vuto osalamulirika galasi mawonekedwe ndi nucleation udindo wa SiC makhiristo. Ofufuza omwe adatsatira adapitilizabe kuchita bwino ndipo pomaliza pake adapanga njira yoyendera gasi (PVT) pakugwiritsa ntchito mafakitale masiku ano.

Monga njira yoyambilira yakukula kwa kristalo ya SiC, 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 yodziwika bwino ya PVT akuwonetsedwa 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 ndi 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 kulamulira kwa 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 ndondomeko ya kukula. Njira ya PVT ndizovuta kuziwona, kukula kwa kristalo kwa 0.2-0.4mm / h, ndizovuta kukula makhiristo ndi makulidwe akulu (> 50mm). Pambuyo pa zaka makumi ambiri akuyesayesa mosalekeza, msika wamakono wa zowotcha za SiC zomwe zimakula ndi njira ya PVT wakhala waukulu kwambiri, ndipo kutulutsa kwapachaka kwa SiC substrate wafers kumatha kufika mazana masauzande a zowotcha, ndipo kukula kwake kukusintha pang'onopang'ono kuchoka pa mainchesi 4 mpaka 6 mainchesi. , ndipo apanga 8 mainchesi a zitsanzo za gawo lapansi la SiC.

 

Chachisanu,Kutentha kwakukulu 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:

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 ndi 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 kulamulira kwa 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 ndondomeko ya kukula. Njira ya PVT ndizovuta kuziwona, kukula kwa kristalo kwa 0.2-0.4mm / h, ndizovuta kukula makhiristo ndi makulidwe akulu (> 50mm). Pambuyo pa zaka makumi ambiri akuyesayesa mosalekeza, msika wamakono wa zowotcha za SiC zomwe zimakula ndi njira ya PVT wakhala waukulu kwambiri, ndipo kutulutsa kwapachaka kwa SiC substrate wafers kumatha kufika mazana masauzande a zowotcha, ndipo kukula kwake kukusintha pang'onopang'ono kuchoka pa mainchesi 4 mpaka 6 mainchesi. , ndipo apanga 8 mainchesi a zitsanzo za gawo lapansi la SiC.

 

Chachisanu,Kutentha kwakukulu 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:

Pamene SiC crystal imakula 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 yankho loyambirira la C-saturated limakhala yankho la supersaturated la C litasamutsidwa kumalo otsika kutentha pansi pa chikhalidwe ichi. Suprataturated C mu njira yophatikizidwa ndi Si mu njira yothandizira imatha kukula SiC crystal epitaxial pa kristalo wa mbewu. Pamene gawo lapamwamba 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, Zakuthupi ndi zamankhwala za 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: Kutentha kwa kutentha kwa SiC kumatha 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. 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 ziwonetsetse kusungunuka kwa makristalo a SiC..

(4) Mphamvu zamagetsi: SiC monga choyimira choyimira cha ma semiconductors ambiri, 6H-SiC ndi 4H-SiC bandgap m'lifupi ndi 3.0 eV ndi 3.2 eV motero, yomwe ndi 3 nthawi ya Si ndi 2 nthawi ya GaAs. Zida zopangira ma semi-conductor zopangidwa ndi SiC zimakhala ndi malo ocheperako komanso okulirapo, 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 yakuya monga V, resistivity ikhoza kuwonjezeka, ndipo kristalo ya SiC yotetezera theka ingapezeke.

(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 kafukufuku wopitilira muyeso wokhudzana ndi SiC mzaka 20 zapitazi, zopambana zachitika muukadaulo wofananira.

 

Chachisanu ndi chitatu,Chidziwitso cha SiC Development Status

Pakalipano, makampani a SiC akhala angwiro, kuyambira pazitsulo zam'munsi, zophika za epitaxial mpaka kupanga zipangizo, kulongedza, makina onse a mafakitale akhwima, ndipo amatha 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 Seputembala 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 za 200 mm SiC 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 200 mm SiC zowotcha zamtundu wa N-mtundu ndi LED, zomwe zikuwonetsa kuyambika kwa magawo 8-inchi a SiC kumsika.
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, osati kulemera kokha kumachepetsedwa ndi 6 kg, kukula kumachepetsedwa 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,Pomaliza:

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.