Tin tức - Cấu trúc và công nghệ phát triển của cacbua silic (Ⅱ)

Thứ tư, Phương pháp truyền hơi vật lý

Phương pháp vận chuyển hơi vật lý (PVT) có nguồn gốc từ công nghệ thăng hoa pha hơi do Lely phát minh vào năm 1955. Bột SiC được đặt trong ống than chì và đun nóng đến nhiệt độ cao để phân hủy và thăng hoa bột SiC, sau đó ống than chì được làm lạnh. Sau khi bột SiC phân hủy, các thành phần pha hơi được lắng đọng và kết tinh thành tinh thể SiC xung quanh ống than chì. Mặc dù phương pháp này khó thu được các tinh thể đơn SiC kích thước lớn và quá trình lắng đọng trong ống than chì khó kiểm soát nhưng nó cung cấp ý tưởng cho các nhà nghiên cứu tiếp theo.
Ym Terairov và cộng sự. ở Nga đã đưa ra khái niệm về tinh thể hạt trên cơ sở này và giải quyết vấn đề về hình dạng tinh thể và vị trí tạo mầm của tinh thể SiC không thể kiểm soát được. Các nhà nghiên cứu tiếp theo tiếp tục cải tiến và cuối cùng đã phát triển phương pháp vận chuyển pha khí vật lý (PVT) trong sử dụng công nghiệp ngày nay.

Là phương pháp tăng trưởng tinh thể SiC sớm nhất, phương pháp truyền hơi vật lý là phương pháp tăng trưởng phổ biến nhất cho sự phát triển tinh thể SiC. So với các phương pháp khác, phương pháp này có yêu cầu thấp về thiết bị tăng trưởng, quy trình tăng trưởng đơn giản, khả năng kiểm soát mạnh mẽ, phát triển và nghiên cứu kỹ lưỡng và đã hiện thực hóa ứng dụng công nghiệp. Cấu trúc của tinh thể phát triển bằng phương pháp PVT chính thống hiện nay được thể hiện trong hình.

Các trường nhiệt độ hướng trục và hướng tâm có thể được kiểm soát bằng cách kiểm soát các điều kiện cách nhiệt bên ngoài của nồi nấu kim loại. Bột SiC được đặt ở đáy nồi nấu than chì với nhiệt độ cao hơn và tinh thể hạt SiC được cố định ở đầu nồi nấu bằng than chì với nhiệt độ thấp hơn. Khoảng cách giữa bột và hạt thường được kiểm soát là hàng chục mm để tránh tiếp xúc giữa tinh thể đơn đang phát triển và bột. Độ dốc nhiệt độ thường nằm trong khoảng 15-35oC/cm. Một lượng khí trơ 50-5000 Pa được giữ trong lò để tăng khả năng đối lưu. Bằng cách này, sau khi bột SiC được làm nóng đến 2000-2500oC bằng cách gia nhiệt cảm ứng, bột SiC sẽ thăng hoa và phân hủy thành Si, Si2C, SiC2 và các thành phần hơi khác, đồng thời được vận chuyển đến đầu hạt bằng đối lưu khí và Tinh thể SiC được kết tinh trên tinh thể mầm để đạt được sự tăng trưởng đơn tinh thể. Tốc độ tăng trưởng điển hình của nó là 0,1-2mm/h.

Quá trình PVT tập trung vào việc kiểm soát nhiệt độ tăng trưởng, độ dốc nhiệt độ, bề mặt tăng trưởng, khoảng cách bề mặt vật liệu và áp suất tăng trưởng, ưu điểm của nó là quá trình tương đối trưởng thành, nguyên liệu thô dễ sản xuất, chi phí thấp, nhưng quá trình tăng trưởng của Phương pháp PVT khó quan sát, tốc độ phát triển tinh thể 0,2-0,4mm/h, khó phát triển tinh thể có độ dày lớn (>50mm). Sau nhiều thập kỷ nỗ lực không ngừng, thị trường tấm nền SiC được phát triển bằng phương pháp PVT hiện nay đã rất lớn và sản lượng tấm nền SiC hàng năm có thể đạt tới hàng trăm nghìn tấm wafer và kích thước của nó đang dần thay đổi từ 4 inch thành 6 inch. và đã phát triển 8 inch mẫu chất nền SiC.

Thứ năm,Phương pháp lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao

Lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao (HTCVD) là phương pháp cải tiến dựa trên lắng đọng hơi hóa học (CVD). Phương pháp này được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1995 bởi Kordina và cộng sự, Đại học Linkoping, Thụy Điển.
Sơ đồ cơ cấu tăng trưởng được thể hiện trên hình:

Thứ năm,Phương pháp lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao

Khi tinh thể SiC được nuôi bằng phương pháp pha lỏng, sự phân bố nhiệt độ và đối lưu bên trong dung dịch phụ được thể hiện trên hình:

Có thể thấy rằng nhiệt độ gần thành nồi nấu trong dung dịch phụ cao hơn, trong khi nhiệt độ ở tinh thể mầm thấp hơn. Trong quá trình phát triển, nồi nấu bằng than chì cung cấp nguồn C cho sự phát triển của tinh thể. Do nhiệt độ ở thành chén nung cao, độ hòa tan của C lớn và tốc độ hòa tan nhanh nên một lượng lớn C sẽ bị hòa tan ở thành chén nung tạo thành dung dịch bão hòa của C. Những dung dịch này có lượng lớn C hòa tan sẽ được vận chuyển đến phần dưới của tinh thể hạt bằng sự đối lưu trong dung dịch phụ. Do nhiệt độ của đầu tinh thể hạt thấp, độ hòa tan của C tương ứng giảm tương ứng và dung dịch bão hòa C ban đầu trở thành dung dịch siêu bão hòa của C sau khi được chuyển sang đầu nhiệt độ thấp trong điều kiện này. C siêu bão hòa trong dung dịch kết hợp với Si trong dung dịch phụ trợ có thể nuôi cấy tinh thể SiC epitaxy trên tinh thể mầm. Khi phần C siêu đục lỗ kết tủa, dung dịch sẽ quay trở lại đầu nhiệt độ cao của thành nồi nấu bằng sự đối lưu và hòa tan C một lần nữa để tạo thành dung dịch bão hòa.

Toàn bộ quá trình lặp lại và tinh thể SiC phát triển. Trong quá trình phát triển pha lỏng, độ hòa tan và kết tủa của C trong dung dịch là một chỉ số rất quan trọng của quá trình phát triển. Để đảm bảo sự phát triển tinh thể ổn định, cần duy trì sự cân bằng giữa độ hòa tan C ở thành nồi nấu và lượng mưa ở đầu hạt. Nếu độ hòa tan của C lớn hơn lượng kết tủa của C thì C trong tinh thể dần dần được làm giàu và quá trình tạo mầm tự phát của SiC sẽ xảy ra. Nếu độ hòa tan của C nhỏ hơn lượng kết tủa của C thì sự phát triển tinh thể sẽ khó thực hiện do thiếu chất tan.
Đồng thời, việc vận chuyển C bằng đối lưu cũng ảnh hưởng đến việc cung cấp C trong quá trình sinh trưởng. Để phát triển tinh thể SiC có chất lượng tinh thể đủ tốt và đủ độ dày, cần đảm bảo sự cân bằng của ba yếu tố trên, điều này làm tăng đáng kể độ khó phát triển pha lỏng SiC. Tuy nhiên, với sự cải tiến và cải tiến dần dần của các lý thuyết và công nghệ liên quan, những ưu điểm của sự phát triển pha lỏng của tinh thể SiC sẽ dần lộ rõ.
Hiện tại, sự tăng trưởng pha lỏng của tinh thể SiC 2 inch có thể đạt được ở Nhật Bản và sự tăng trưởng pha lỏng của tinh thể 4 inch cũng đang được phát triển. Hiện tại, các nghiên cứu liên quan trong nước chưa có kết quả tốt, cần tiếp tục thực hiện các công việc nghiên cứu liên quan.

Thứ bảy, Tính chất vật lý và hóa học của tinh thể SiC

(1) Tính chất cơ học: Tinh thể SiC có độ cứng cực cao và khả năng chống mài mòn tốt. Độ cứng Mohs của nó nằm trong khoảng từ 9,2 đến 9,3 và độ cứng Krit của nó nằm trong khoảng từ 2900 đến 3100Kg/mm2, chỉ đứng sau tinh thể kim cương trong số các vật liệu đã được phát hiện. Do đặc tính cơ học tuyệt vời của SiC nên bột SiC thường được sử dụng trong ngành cắt hoặc nghiền, với nhu cầu hàng năm lên tới hàng triệu tấn. Lớp phủ chống mài mòn trên một số phôi cũng sẽ sử dụng lớp phủ SiC, ví dụ, lớp phủ chống mài mòn trên một số tàu chiến bao gồm lớp phủ SiC.

(2) Tính chất nhiệt: độ dẫn nhiệt của SiC có thể đạt 3-5 W/cm·K, gấp 3 lần so với chất bán dẫn Si truyền thống và gấp 8 lần so với GaAs. Quá trình sản xuất nhiệt của thiết bị do SiC chuẩn bị có thể được thực hiện nhanh chóng, do đó yêu cầu về điều kiện tản nhiệt của thiết bị SiC tương đối lỏng lẻo và phù hợp hơn cho việc chuẩn bị các thiết bị công suất cao. SiC có đặc tính nhiệt động ổn định. Trong điều kiện áp suất bình thường, SiC sẽ bị phân hủy trực tiếp thành hơi chứa Si và C ở nhiệt độ cao hơn..

(3) Tính chất hóa học: SiC có tính chất hóa học ổn định, chống ăn mòn tốt và không phản ứng với bất kỳ axit nào đã biết ở nhiệt độ phòng. SiC để lâu trong không khí sẽ từ từ hình thành một lớp SiO2 mỏng dày đặc, ngăn chặn các phản ứng oxy hóa tiếp theo. Khi nhiệt độ tăng lên hơn 1700oC, lớp mỏng SiO2 tan chảy và oxy hóa nhanh chóng. SiC có thể trải qua phản ứng oxy hóa chậm với các chất oxy hóa hoặc bazơ nóng chảy, và các tấm wafer SiC thường bị ăn mòn trong KOH và Na2O2 nóng chảy để mô tả sự biến dạng trong tinh thể SiC.

(4) Tính chất điện: SiC là vật liệu đại diện của chất bán dẫn vùng cấm rộng, độ rộng vùng cấm 6H-SiC và 4H-SiC lần lượt là 3,0 eV và 3,2 eV, gấp 3 lần so với Si và 2 lần so với GaAs. Các thiết bị bán dẫn làm bằng SiC có dòng rò nhỏ hơn và điện trường đánh thủng lớn hơn nên SiC được coi là vật liệu lý tưởng cho các thiết bị có công suất cao. Độ linh động điện tử bão hòa của SiC cũng cao gấp 2 lần so với Si và nó cũng có những ưu điểm rõ ràng trong việc chế tạo các thiết bị tần số cao. Tinh thể SiC loại P hoặc tinh thể SiC loại N có thể thu được bằng cách pha tạp các nguyên tử tạp chất trong tinh thể. Hiện nay, tinh thể SiC loại P chủ yếu được pha tạp bởi các nguyên tử Al, B, Be, O, Ga, Sc và các nguyên tử khác, và tinh thể sic loại N chủ yếu được pha tạp bởi các nguyên tử N. Sự khác biệt về nồng độ và loại pha tạp sẽ ảnh hưởng lớn đến tính chất vật lý và hóa học của SiC. Đồng thời, chất mang tự do có thể được đóng đinh bằng pha tạp ở mức độ sâu như V, điện trở suất có thể tăng lên và có thể thu được tinh thể SiC bán cách điện.

(5) Tính chất quang học: Do vùng cấm tương đối rộng nên tinh thể SiC không pha tạp có màu không màu và trong suốt. Các tinh thể SiC pha tạp có màu sắc khác nhau do tính chất khác nhau, ví dụ, 6H-SiC có màu xanh lục sau khi pha tạp N; 4H-SiC có màu nâu. 15R-SiC có màu vàng. Được pha tạp Al, 4H-SiC có màu xanh lam. Đây là một phương pháp trực quan để phân biệt loại tinh thể SiC bằng cách quan sát sự khác biệt về màu sắc. Với việc nghiên cứu liên tục về các lĩnh vực liên quan đến SiC trong 20 năm qua, các công nghệ liên quan đã đạt được những bước đột phá lớn.

Thứ tám,Giới thiệu tình hình phát triển SiC

Hiện nay, ngành công nghiệp SiC ngày càng trở nên hoàn hảo, từ tấm nền, tấm wafer epiticular đến sản xuất thiết bị, đóng gói, toàn bộ dây chuyền công nghiệp đã trưởng thành và có thể cung cấp các sản phẩm liên quan đến SiC ra thị trường.

Cree là công ty dẫn đầu trong ngành tăng trưởng tinh thể SiC với vị trí dẫn đầu cả về kích thước và chất lượng của tấm nền SiC. Cree hiện sản xuất 300.000 chip nền SiC mỗi năm, chiếm hơn 80% lô hàng toàn cầu.

Vào tháng 9 năm 2019, Cree thông báo rằng họ sẽ xây dựng một cơ sở mới ở Bang New York, Hoa Kỳ, nơi sẽ sử dụng công nghệ tiên tiến nhất để phát triển năng lượng đường kính 200 mm và tấm nền RF SiC, cho thấy rằng công nghệ chuẩn bị vật liệu nền SiC 200 mm của họ đã có trở nên trưởng thành hơn.

Hiện nay, các sản phẩm chip đế SiC chủ đạo trên thị trường chủ yếu là loại dẫn điện và bán cách điện 4H-SiC và 6H-SiC từ 2-6 inch.
Vào tháng 10 năm 2015, Cree là công ty đầu tiên tung ra tấm nền SiC 200 mm cho loại N và đèn LED, đánh dấu sự khởi đầu của tấm nền SiC 8 inch ra thị trường.
Năm 2016, Romm bắt đầu tài trợ cho nhóm Venturi và là người đầu tiên sử dụng tổ hợp IGBT + SiC SBD trên ô tô để thay thế giải pháp IGBT + Si FRD trong biến tần 200 kW truyền thống. Sau khi cải tiến, trọng lượng của biến tần giảm 2 kg và kích thước giảm 19% mà vẫn giữ nguyên công suất.

Vào năm 2017, sau khi tiếp tục áp dụng SiC MOS + SiC SBD, không chỉ trọng lượng giảm 6 kg, kích thước cũng giảm 43% và công suất biến tần cũng tăng từ 200 kW lên 220 kW.
Sau khi Tesla áp dụng các thiết bị dựa trên SIC trong bộ biến tần dẫn động chính của các sản phẩm Model 3 vào năm 2018, hiệu ứng trình diễn đã nhanh chóng được khuếch đại, khiến thị trường ô tô xEV sớm trở thành nguồn phấn khích cho thị trường SiC. Với việc áp dụng thành công SiC, giá trị sản lượng thị trường liên quan của nó cũng tăng lên nhanh chóng.

Thứ chín,Phần kết luận:

Với sự cải tiến liên tục của các công nghệ công nghiệp liên quan đến SiC, năng suất và độ tin cậy của nó sẽ được cải thiện hơn nữa, giá của các thiết bị SiC cũng sẽ giảm và khả năng cạnh tranh thị trường của SiC sẽ rõ ràng hơn. Trong tương lai, các thiết bị SiC sẽ được sử dụng rộng rãi hơn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như ô tô, thông tin liên lạc, lưới điện và giao thông vận tải, thị trường sản phẩm sẽ rộng hơn và quy mô thị trường sẽ được mở rộng hơn nữa, trở thành một hỗ trợ quan trọng cho quốc gia. kinh tế.

Thời gian đăng: Jan-25-2024