Keempat, Metode perpindahan uap fisik
Metode pengangkutan uap fisik (PVT) berawal dari teknologi sublimasi fase uap yang ditemukan oleh Lely pada tahun 1955. Serbuk SiC ditempatkan dalam tabung grafit dan dipanaskan hingga suhu tinggi untuk menguraikan dan menyublim bubuk SiC, kemudian tabung grafit didinginkan. Setelah penguraian bubuk SiC, komponen fase uap diendapkan dan dikristalisasi menjadi kristal SiC di sekitar tabung grafit. Meskipun metode ini sulit untuk mendapatkan kristal tunggal SiC berukuran besar, dan proses pengendapan dalam tabung grafit sulit dikendalikan, namun memberikan ide bagi peneliti selanjutnya.
Ym Terairov dkk. di Rusia memperkenalkan konsep kristal benih atas dasar ini, dan memecahkan masalah bentuk kristal yang tidak terkendali dan posisi nukleasi kristal SiC. Peneliti selanjutnya terus menyempurnakan dan akhirnya mengembangkan metode transportasi fase gas fisik (PVT) yang digunakan dalam industri saat ini.
Sebagai metode pertumbuhan kristal SiC yang paling awal, metode transfer uap fisik adalah metode pertumbuhan paling utama untuk pertumbuhan kristal SiC. Dibandingkan dengan metode lain, metode ini memiliki persyaratan yang rendah untuk peralatan pertumbuhan, proses pertumbuhan yang sederhana, kemampuan pengendalian yang kuat, pengembangan dan penelitian yang menyeluruh, dan telah merealisasikan penerapan industri. Struktur kristal yang ditumbuhkan dengan metode PVT arus utama ditunjukkan pada gambar.
Bidang suhu aksial dan radial dapat dikontrol dengan mengontrol kondisi isolasi termal eksternal wadah grafit. Serbuk SiC ditempatkan di bagian bawah wadah grafit dengan suhu lebih tinggi, dan kristal benih SiC dipasang di bagian atas wadah grafit dengan suhu lebih rendah. Jarak antara bubuk dan biji umumnya dikontrol hingga puluhan milimeter untuk menghindari kontak antara kristal tunggal yang sedang tumbuh dan bubuk. Gradien suhu biasanya berkisar antara 15-35℃/cm. Gas inert 50-5000 Pa disimpan di dalam tungku untuk meningkatkan konveksi. Dengan cara ini, setelah bubuk SiC dipanaskan hingga 2000-2500℃ dengan pemanasan induksi, bubuk SiC akan menyublim dan terurai menjadi Si, Si2C, SiC2 dan komponen uap lainnya, dan diangkut ke ujung benih dengan konveksi gas, dan Kristal SiC dikristalisasi pada kristal benih untuk mencapai pertumbuhan kristal tunggal. Tingkat pertumbuhan tipikalnya adalah 0,1-2 mm/jam.
Proses PVT berfokus pada pengendalian suhu pertumbuhan, gradien suhu, permukaan pertumbuhan, jarak permukaan material dan tekanan pertumbuhan, keunggulannya adalah prosesnya relatif matang, bahan baku mudah diproduksi, biaya rendah, namun proses pertumbuhannya Metode PVT sulit diamati, laju pertumbuhan kristal 0,2-0,4 mm/jam, sulit menumbuhkan kristal dengan ketebalan besar (>50mm). Setelah upaya terus-menerus selama beberapa dekade, pasar wafer substrat SiC saat ini yang ditanam dengan metode PVT menjadi sangat besar, dan keluaran tahunan wafer substrat SiC dapat mencapai ratusan ribu wafer, dan ukurannya secara bertahap berubah dari 4 inci menjadi 6 inci. , dan telah mengembangkan sampel substrat SiC berukuran 8 inci.
Kelima,Metode deposisi uap kimia suhu tinggi
Deposisi Uap Kimia Suhu Tinggi (HTCVD) adalah metode yang ditingkatkan berdasarkan Deposisi Uap Kimia (CVD). Metode ini pertama kali dikemukakan pada tahun 1995 oleh Kordina et al., Linkoping University, Swedia.
Diagram struktur pertumbuhan ditunjukkan pada gambar:
Bidang suhu aksial dan radial dapat dikontrol dengan mengontrol kondisi isolasi termal eksternal wadah grafit. Serbuk SiC ditempatkan di bagian bawah wadah grafit dengan suhu lebih tinggi, dan kristal benih SiC dipasang di bagian atas wadah grafit dengan suhu lebih rendah. Jarak antara bubuk dan biji umumnya dikontrol hingga puluhan milimeter untuk menghindari kontak antara kristal tunggal yang sedang tumbuh dan bubuk. Gradien suhu biasanya berkisar antara 15-35℃/cm. Gas inert 50-5000 Pa disimpan di dalam tungku untuk meningkatkan konveksi. Dengan cara ini, setelah bubuk SiC dipanaskan hingga 2000-2500℃ dengan pemanasan induksi, bubuk SiC akan menyublim dan terurai menjadi Si, Si2C, SiC2 dan komponen uap lainnya, dan diangkut ke ujung benih dengan konveksi gas, dan Kristal SiC dikristalisasi pada kristal benih untuk mencapai pertumbuhan kristal tunggal. Tingkat pertumbuhan tipikalnya adalah 0,1-2 mm/jam.
Proses PVT berfokus pada pengendalian suhu pertumbuhan, gradien suhu, permukaan pertumbuhan, jarak permukaan material dan tekanan pertumbuhan, keunggulannya adalah prosesnya relatif matang, bahan baku mudah diproduksi, biaya rendah, namun proses pertumbuhannya Metode PVT sulit diamati, laju pertumbuhan kristal 0,2-0,4 mm/jam, sulit menumbuhkan kristal dengan ketebalan besar (>50mm). Setelah upaya terus-menerus selama beberapa dekade, pasar wafer substrat SiC saat ini yang ditanam dengan metode PVT menjadi sangat besar, dan keluaran tahunan wafer substrat SiC dapat mencapai ratusan ribu wafer, dan ukurannya secara bertahap berubah dari 4 inci menjadi 6 inci. , dan telah mengembangkan sampel substrat SiC berukuran 8 inci.
Kelima,Metode deposisi uap kimia suhu tinggi
Deposisi Uap Kimia Suhu Tinggi (HTCVD) adalah metode yang ditingkatkan berdasarkan Deposisi Uap Kimia (CVD). Metode ini pertama kali dikemukakan pada tahun 1995 oleh Kordina et al., Linkoping University, Swedia.
Diagram struktur pertumbuhan ditunjukkan pada gambar:
Ketika kristal SiC ditumbuhkan dengan metode fase cair, suhu dan distribusi konveksi di dalam larutan tambahan ditunjukkan pada gambar:
Terlihat bahwa suhu di dekat dinding wadah pada larutan pembantu lebih tinggi, sedangkan suhu pada kristal benih lebih rendah. Selama proses pertumbuhan, wadah grafit menyediakan sumber C untuk pertumbuhan kristal. Karena suhu pada dinding wadah tinggi, kelarutan C besar, dan laju disolusi cepat, sejumlah besar C akan larut pada dinding wadah membentuk larutan jenuh C. Larutan ini dengan jumlah yang besar C terlarut akan diangkut ke bagian bawah kristal benih secara konveksi dalam larutan tambahan. Karena suhu ujung kristal benih yang rendah, kelarutan C yang sesuai menurun, dan larutan jenuh C asli menjadi larutan C lewat jenuh setelah dipindahkan ke ujung suhu rendah dalam kondisi ini. C suprasaturasi dalam larutan dikombinasikan dengan Si dalam larutan tambahan dapat menumbuhkan epitaksi kristal SiC pada kristal benih. Ketika bagian C yang superforasi mengendap, larutan kembali ke ujung dinding wadah bersuhu tinggi dengan konveksi, dan melarutkan C lagi untuk membentuk larutan jenuh.
Seluruh proses berulang, dan kristal SiC tumbuh. Dalam proses pertumbuhan fase cair, pelarutan dan pengendapan C dalam larutan merupakan indeks kemajuan pertumbuhan yang sangat penting. Untuk memastikan pertumbuhan kristal yang stabil, perlu dijaga keseimbangan antara pelarutan C di dinding wadah dan pengendapan di ujung benih. Jika pelarutan C lebih besar daripada pengendapan C, maka C dalam kristal secara bertahap diperkaya, dan nukleasi spontan SiC akan terjadi. Jika kelarutan C lebih kecil dibandingkan dengan pengendapan C maka pertumbuhan kristal akan sulit dilakukan karena kekurangan zat terlarut.
Pada saat yang sama, pengangkutan C secara konveksi juga mempengaruhi pasokan C selama pertumbuhan. Untuk menumbuhkan kristal SiC dengan kualitas kristal yang cukup baik dan ketebalan yang cukup, keseimbangan ketiga elemen di atas perlu dipastikan, yang sangat meningkatkan kesulitan pertumbuhan fase cair SiC. Namun, dengan perbaikan bertahap dan peningkatan teori dan teknologi terkait, keuntungan pertumbuhan kristal SiC fase cair akan terlihat secara bertahap.
Saat ini, pertumbuhan fase cair kristal SiC 2 inci dapat dicapai di Jepang, dan pertumbuhan fase cair kristal SiC 4 inci juga sedang dikembangkan. Saat ini penelitian dalam negeri terkait belum membuahkan hasil yang baik, sehingga perlu dilakukan tindak lanjut terhadap penelitian terkait.
Ketujuh, Sifat fisik dan kimia kristal SiC
(1) Sifat mekanik: Kristal SiC memiliki kekerasan yang sangat tinggi dan ketahanan aus yang baik. Kekerasan Mohsnya antara 9,2 dan 9,3, dan kekerasan Kritnya antara 2900 dan 3100Kg/mm2, yang kedua setelah kristal berlian di antara material yang telah ditemukan. Karena sifat mekanik SiC yang sangat baik, bubuk SiC sering digunakan dalam industri pemotongan atau penggilingan, dengan permintaan tahunan hingga jutaan ton. Lapisan tahan aus pada beberapa benda kerja juga akan menggunakan lapisan SiC, misalnya, lapisan tahan aus pada beberapa kapal perang terdiri dari lapisan SiC.
(2) Sifat termal: konduktivitas termal SiC dapat mencapai 3-5 W/cm·K, yaitu 3 kali lipat dari semikonduktor tradisional Si dan 8 kali lipat dari GaAs. Produksi panas perangkat yang dibuat dengan SiC dapat dilakukan dengan cepat, sehingga persyaratan kondisi pembuangan panas perangkat SiC relatif longgar, dan lebih cocok untuk persiapan perangkat berdaya tinggi. SiC memiliki sifat termodinamika yang stabil. Pada kondisi tekanan normal, SiC akan langsung terurai menjadi uap yang mengandung Si dan C dengan suhu lebih tinggi.
(3) Sifat kimia: SiC memiliki sifat kimia yang stabil, ketahanan korosi yang baik, dan tidak bereaksi dengan asam apa pun pada suhu kamar. SiC yang diletakkan di udara dalam waktu lama secara perlahan akan membentuk lapisan tipis SiO2 padat sehingga mencegah reaksi oksidasi lebih lanjut. Ketika suhu naik hingga lebih dari 1700℃, lapisan tipis SiO2 meleleh dan teroksidasi dengan cepat. SiC dapat mengalami reaksi oksidasi lambat dengan oksidan atau basa cair, dan wafer SiC biasanya terkorosi dalam lelehan KOH dan Na2O2 untuk mengkarakterisasi dislokasi dalam kristal SiC.
(4) Sifat kelistrikan: SiC sebagai bahan perwakilan semikonduktor celah pita lebar, lebar celah pita 6H-SiC dan 4H-SiC masing-masing adalah 3,0 eV dan 3,2 eV, yaitu 3 kali lipat Si dan 2 kali lipat GaAs. Perangkat semikonduktor yang terbuat dari SiC memiliki arus bocor yang lebih kecil dan medan listrik tembus yang lebih besar, sehingga SiC dianggap sebagai material yang ideal untuk perangkat berdaya tinggi. Mobilitas elektron jenuh SiC juga 2 kali lebih tinggi dibandingkan Si, dan juga memiliki keunggulan nyata dalam persiapan perangkat frekuensi tinggi. Kristal SiC tipe P atau kristal SiC tipe N dapat diperoleh dengan mendoping atom pengotor dalam kristal. Saat ini, kristal SiC tipe P sebagian besar didoping oleh atom Al, B, Be, O, Ga, Sc dan lainnya, dan kristal sic tipe N sebagian besar didoping oleh atom N. Perbedaan konsentrasi dan jenis doping akan berdampak besar pada sifat fisik dan kimia SiC. Pada saat yang sama, pembawa bebas dapat dipaku dengan doping tingkat dalam seperti V, resistivitas dapat ditingkatkan, dan kristal SiC semi-isolasi dapat diperoleh.
(5) Sifat optik: Karena celah pita yang relatif lebar, kristal SiC yang tidak didoping tidak berwarna dan transparan. Kristal SiC yang didoping menunjukkan warna yang berbeda karena sifat yang berbeda, misalnya 6H-SiC berwarna hijau setelah doping N; 4H-SiC berwarna coklat. 15R-SiC berwarna kuning. Didoping dengan Al, 4H-SiC tampak berwarna biru. Ini adalah metode intuitif untuk membedakan jenis kristal SiC dengan mengamati perbedaan warna. Dengan penelitian berkelanjutan di bidang terkait SiC dalam 20 tahun terakhir, terobosan besar telah dicapai dalam teknologi terkait.
Kedelapan,Pengenalan status pengembangan SiC
Saat ini, industri SiC telah menjadi semakin sempurna, mulai dari wafer substrat, wafer epitaksi hingga produksi perangkat, pengemasan, seluruh rantai industri telah matang, dan dapat memasok produk terkait SiC ke pasar.
Cree adalah pemimpin dalam industri pertumbuhan kristal SiC dengan posisi terdepan dalam ukuran dan kualitas wafer substrat SiC. Cree saat ini memproduksi 300.000 chip substrat SiC per tahun, mencakup lebih dari 80% pengiriman global.
Pada bulan September 2019, Cree mengumumkan bahwa mereka akan membangun fasilitas baru di Negara Bagian New York, AS, yang akan menggunakan teknologi tercanggih untuk menumbuhkan daya berdiameter 200 mm dan wafer substrat RF SiC, yang menunjukkan bahwa teknologi persiapan bahan substrat SiC 200 mm telah dimilikinya. menjadi lebih dewasa.
Saat ini, produk utama chip substrat SiC yang ada di pasaran sebagian besar adalah jenis konduktif dan semi-terisolasi 4H-SiC dan 6H-SiC berukuran 2-6 inci.
Pada bulan Oktober 2015, Cree menjadi orang pertama yang meluncurkan wafer substrat SiC 200 mm untuk tipe N dan LED, menandai dimulainya wafer substrat SiC 8 inci ke pasar.
Pada tahun 2016, Romm mulai mensponsori tim Venturi dan menjadi orang pertama yang menggunakan kombinasi IGBT + SiC SBD di mobil untuk menggantikan solusi IGBT + Si FRD pada inverter tradisional 200 kW. Setelah perbaikan, bobot inverter berkurang 2 kg dan ukurannya berkurang 19% dengan tetap mempertahankan daya yang sama.
Pada tahun 2017, setelah adopsi lebih lanjut SiC MOS + SiC SBD, tidak hanya bobotnya yang berkurang 6 kg, ukurannya juga berkurang 43%, dan daya inverter juga ditingkatkan dari 200 kW menjadi 220 kW.
Setelah Tesla mengadopsi perangkat berbasis SIC sebagai inverter penggerak utama produk Model 3 pada tahun 2018, efek demonstrasi meningkat dengan cepat, menjadikan pasar otomotif xEV segera menjadi sumber kegembiraan bagi pasar SiC. Dengan keberhasilan penerapan SiC, nilai output pasar terkait juga meningkat pesat.
Kesembilan,Kesimpulan:
Dengan peningkatan berkelanjutan dalam teknologi industri terkait SiC, hasil dan keandalannya akan semakin meningkat, harga perangkat SiC juga akan berkurang, dan daya saing pasar SiC akan menjadi lebih jelas. Di masa depan, perangkat SiC akan lebih banyak digunakan di berbagai bidang seperti mobil, komunikasi, jaringan listrik, dan transportasi, dan pasar produk akan lebih luas, dan ukuran pasar akan semakin diperluas, menjadi pendukung penting bagi perekonomian nasional. ekonomi.
Waktu posting: 25 Januari 2024