Struktur und Wachstumstechnologie von Siliziumkarbid (Ⅱ)

Vierte, Physikalische Dampfübertragungsmethode

Die Methode des physikalischen Dampftransports (PVT) geht auf die 1955 von Lely erfundene Dampfphasensublimationstechnologie zurück. Das SiC-Pulver wird in ein Graphitrohr gegeben und auf hohe Temperaturen erhitzt, um das SiC-Pulver zu zersetzen und zu sublimieren. Anschließend wird das Graphitrohr abgekühlt. Nach der Zersetzung des SiC-Pulvers lagern sich die Dampfphasenbestandteile ab und kristallisieren zu SiC-Kristallen um das Graphitrohr herum. Obwohl es mit dieser Methode schwierig ist, große SiC-Einkristalle zu erhalten, und der Ablagerungsprozess im Graphitrohr schwer zu kontrollieren ist, liefert sie Ideen für nachfolgende Forscher.
Ym Terairov et al. in Russland führte auf dieser Grundlage das Konzept der Impfkristalle ein und löste das Problem der unkontrollierbaren Kristallform und Keimbildungsposition von SiC-Kristallen. Nachfolgende Forscher verbesserten sich weiter und entwickelten schließlich die Methode des physikalischen Gasphasentransports (PVT), die heute industriell eingesetzt wird.

Als früheste Methode zur SiC-Kristallzüchtung ist die physikalische Dampfübertragungsmethode die gängigste Wachstumsmethode für die SiC-Kristallzüchtung. Im Vergleich zu anderen Methoden stellt die Methode geringe Anforderungen an die Wachstumsausrüstung, einen einfachen Wachstumsprozess, eine gute Steuerbarkeit, gründliche Entwicklung und Forschung und hat eine industrielle Anwendung realisiert. Die Struktur des mit der gängigen PVT-Methode gezüchteten Kristalls ist in der Abbildung dargestellt.

Die axialen und radialen Temperaturfelder können durch Steuerung der äußeren Wärmeisolationsbedingungen des Graphittiegels gesteuert werden. Das SiC-Pulver wird bei einer höheren Temperatur am Boden des Graphittiegels platziert, und der SiC-Impfkristall wird bei einer niedrigeren Temperatur oben im Graphittiegel fixiert. Der Abstand zwischen dem Pulver und dem Keim wird im Allgemeinen auf mehrere zehn Millimeter eingestellt, um einen Kontakt zwischen dem wachsenden Einkristall und dem Pulver zu vermeiden. Der Temperaturgradient liegt normalerweise im Bereich von 15-35℃/cm. Im Ofen wird ein Inertgas von 50–5000 Pa gehalten, um die Konvektion zu erhöhen. Nachdem das SiC-Pulver durch Induktionserwärmung auf 2000–2500 °C erhitzt wurde, sublimiert und zerfällt das SiC-Pulver auf diese Weise in Si, Si2C, SiC2 und andere Dampfkomponenten und wird durch Gaskonvektion zum Keimende transportiert SiC-Kristalle werden auf dem Impfkristall kristallisiert, um ein Einkristallwachstum zu erreichen. Die typische Wachstumsrate beträgt 0,1–2 mm/h.

Der PVT-Prozess konzentriert sich auf die Steuerung der Wachstumstemperatur, des Temperaturgradienten, der Wachstumsoberfläche, des Materialoberflächenabstands und des Wachstumsdrucks. Sein Vorteil besteht darin, dass sein Prozess relativ ausgereift ist, Rohstoffe einfach herzustellen sind, die Kosten niedrig sind, aber der Wachstumsprozess von Die PVT-Methode ist schwer zu beobachten, die Kristallwachstumsrate beträgt 0,2–0,4 mm/h, es ist schwierig, Kristalle mit großer Dicke (>50 mm) zu züchten. Nach Jahrzehnten kontinuierlicher Bemühungen ist der aktuelle Markt für SiC-Substratwafer, die mit der PVT-Methode gezüchtet werden, sehr groß, und die jährliche Produktion von SiC-Substratwafern kann Hunderttausende Wafer erreichen, und ihre Größe ändert sich allmählich von 4 Zoll auf 6 Zoll und hat 8 Zoll große SiC-Substratproben entwickelt.

 

Fünfte,Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung bei hoher Temperatur

 

Die chemische Gasphasenabscheidung bei hoher Temperatur (HTCVD) ist eine verbesserte Methode, die auf der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) basiert. Die Methode wurde erstmals 1995 von Kordina et al., Universität Linköping, Schweden, vorgeschlagen.
Das Wachstumsstrukturdiagramm ist in der Abbildung dargestellt:

Die axialen und radialen Temperaturfelder können durch Steuerung der äußeren Wärmeisolationsbedingungen des Graphittiegels gesteuert werden. Das SiC-Pulver wird bei einer höheren Temperatur am Boden des Graphittiegels platziert, und der SiC-Impfkristall wird bei einer niedrigeren Temperatur oben im Graphittiegel fixiert. Der Abstand zwischen dem Pulver und dem Keim wird im Allgemeinen auf mehrere zehn Millimeter eingestellt, um einen Kontakt zwischen dem wachsenden Einkristall und dem Pulver zu vermeiden. Der Temperaturgradient liegt normalerweise im Bereich von 15-35℃/cm. Im Ofen wird ein Inertgas von 50–5000 Pa gehalten, um die Konvektion zu erhöhen. Nachdem das SiC-Pulver durch Induktionserwärmung auf 2000–2500 °C erhitzt wurde, sublimiert und zerfällt das SiC-Pulver auf diese Weise in Si, Si2C, SiC2 und andere Dampfkomponenten und wird durch Gaskonvektion zum Keimende transportiert SiC-Kristalle werden auf dem Impfkristall kristallisiert, um ein Einkristallwachstum zu erreichen. Die typische Wachstumsrate beträgt 0,1–2 mm/h.

Der PVT-Prozess konzentriert sich auf die Steuerung der Wachstumstemperatur, des Temperaturgradienten, der Wachstumsoberfläche, des Materialoberflächenabstands und des Wachstumsdrucks. Sein Vorteil besteht darin, dass sein Prozess relativ ausgereift ist, Rohstoffe einfach herzustellen sind, die Kosten niedrig sind, aber der Wachstumsprozess von Die PVT-Methode ist schwer zu beobachten, die Kristallwachstumsrate beträgt 0,2–0,4 mm/h, es ist schwierig, Kristalle mit großer Dicke (>50 mm) zu züchten. Nach Jahrzehnten kontinuierlicher Bemühungen ist der aktuelle Markt für SiC-Substratwafer, die mit der PVT-Methode gezüchtet werden, sehr groß, und die jährliche Produktion von SiC-Substratwafern kann Hunderttausende Wafer erreichen, und ihre Größe ändert sich allmählich von 4 Zoll auf 6 Zoll und hat 8 Zoll große SiC-Substratproben entwickelt.

 

Fünfte,Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung bei hoher Temperatur

 

Die chemische Gasphasenabscheidung bei hoher Temperatur (HTCVD) ist eine verbesserte Methode, die auf der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) basiert. Die Methode wurde erstmals 1995 von Kordina et al., Universität Linköping, Schweden, vorgeschlagen.
Das Wachstumsstrukturdiagramm ist in der Abbildung dargestellt:

Wenn der SiC-Kristall durch die Flüssigphasenmethode gezüchtet wird, sind die Temperatur- und Konvektionsverteilung innerhalb der Hilfslösung in der Abbildung dargestellt:

Man erkennt, dass die Temperatur in der Nähe der Tiegelwand in der Hilfslösung höher ist, während die Temperatur am Impfkristall niedriger ist. Während des Wachstumsprozesses stellt der Graphittiegel eine C-Quelle für das Kristallwachstum dar. Da die Temperatur an der Tiegelwand hoch ist, die Löslichkeit von C groß ist und die Auflösungsgeschwindigkeit hoch ist, wird eine große Menge C an der Tiegelwand gelöst, um eine gesättigte Lösung von C zu bilden. Diese Lösungen mit einer großen Menge Gelöstes C wird durch Konvektion innerhalb der Hilfslösung in den unteren Teil der Impfkristalle transportiert. Aufgrund der niedrigen Temperatur des Impfkristallendes nimmt die Löslichkeit des entsprechenden C entsprechend ab, und die ursprüngliche C-gesättigte Lösung wird zu einer übersättigten Lösung von C, nachdem sie unter dieser Bedingung auf das Ende der niedrigen Temperatur übertragen wurde. Übersättigtes C in Lösung kombiniert mit Si in Hilfslösung kann SiC-Kristall epitaktisch auf einem Impfkristall wachsen lassen. Wenn der superforierte Teil von C ausfällt, kehrt die Lösung durch Konvektion zum Hochtemperaturende der Tiegelwand zurück und löst C erneut auf, um eine gesättigte Lösung zu bilden.

Der gesamte Vorgang wiederholt sich und der SiC-Kristall wächst. Im Prozess des Flüssigphasenwachstums ist die Auflösung und Ausfällung von C in Lösung ein sehr wichtiger Indikator für den Wachstumsfortschritt. Um ein stabiles Kristallwachstum zu gewährleisten, muss ein Gleichgewicht zwischen der Auflösung von C an der Tiegelwand und der Ausfällung am Keimende aufrechterhalten werden. Wenn die Auflösung von C größer ist als die Ausfällung von C, dann wird das C im Kristall allmählich angereichert und es kommt zu einer spontanen Keimbildung von SiC. Wenn die Auflösung von C geringer ist als die Ausfällung von C, wird das Kristallwachstum aufgrund des Mangels an gelöstem Stoff schwierig durchzuführen sein.
Gleichzeitig beeinflusst der Transport von C durch Konvektion auch die Versorgung mit C während des Wachstums. Um SiC-Kristalle mit ausreichend guter Kristallqualität und ausreichender Dicke zu züchten, muss das Gleichgewicht der oben genannten drei Elemente sichergestellt werden, was die Schwierigkeit des SiC-Flüssigphasenwachstums erheblich erhöht. Mit der schrittweisen Verbesserung und Verbesserung verwandter Theorien und Technologien werden sich jedoch nach und nach die Vorteile des Flüssigphasenwachstums von SiC-Kristallen zeigen.
Derzeit kann in Japan das Flüssigphasenwachstum von 2-Zoll-SiC-Kristallen erreicht werden, und das Flüssigphasenwachstum von 4-Zoll-Kristallen wird ebenfalls entwickelt. Derzeit hat die entsprechende inländische Forschung keine guten Ergebnisse erzielt und es ist notwendig, die entsprechende Forschungsarbeit weiterzuverfolgen.

 

Siebte, Physikalische und chemische Eigenschaften von SiC-Kristallen

 

(1) Mechanische Eigenschaften: SiC-Kristalle haben eine extrem hohe Härte und gute Verschleißfestigkeit. Seine Mohs-Härte liegt zwischen 9,2 und 9,3 und seine Krit-Härte zwischen 2900 und 3100 kg/mm2, was nach Diamantkristallen das zweitgrößte der bisher entdeckten Materialien ist. Aufgrund der hervorragenden mechanischen Eigenschaften von SiC wird pulverförmiges SiC häufig in der Schneid- oder Schleifindustrie mit einem jährlichen Bedarf von bis zu Millionen Tonnen eingesetzt. Die verschleißfeste Beschichtung einiger Werkstücke wird auch eine SiC-Beschichtung verwenden. Beispielsweise besteht die verschleißfeste Beschichtung einiger Kriegsschiffe aus einer SiC-Beschichtung.

(2) Thermische Eigenschaften: Die Wärmeleitfähigkeit von SiC kann 3–5 W/cm·K erreichen, was dem Dreifachen des herkömmlichen Halbleiters Si und dem Achtfachen des GaAs entspricht. Die Wärmeerzeugung des durch SiC hergestellten Geräts kann schnell abgeführt werden, sodass die Anforderungen an die Wärmeableitungsbedingungen des SiC-Geräts relativ gering sind und es besser für die Herstellung von Hochleistungsgeräten geeignet ist. SiC hat stabile thermodynamische Eigenschaften. Unter normalen Druckbedingungen wird SiC bei höheren Temperaturen direkt in Dampf zersetzt, der Si und C enthält.

(3) Chemische Eigenschaften: SiC hat stabile chemische Eigenschaften, eine gute Korrosionsbeständigkeit und reagiert bei Raumtemperatur nicht mit bekannten Säuren. Über längere Zeit in der Luft befindliches SiC bildet langsam eine dünne Schicht aus dichtem SiO2 und verhindert so weitere Oxidationsreaktionen. Wenn die Temperatur auf über 1700℃ ansteigt, schmilzt die dünne SiO2-Schicht und oxidiert schnell. SiC kann eine langsame Oxidationsreaktion mit geschmolzenen Oxidationsmitteln oder Basen eingehen, und SiC-Wafer werden normalerweise in geschmolzenem KOH und Na2O2 korrodiert, um die Versetzung in SiC-Kristallen zu charakterisieren.

(4) Elektrische Eigenschaften: SiC ist ein repräsentatives Material für Halbleiter mit großer Bandlücke. Die Bandlückenbreiten von 6H-SiC und 4H-SiC betragen 3,0 eV bzw. 3,2 eV, was dem Dreifachen von Si und dem Zweifachen von GaAs entspricht. Halbleiterbauelemente aus SiC weisen einen geringeren Leckstrom und ein größeres elektrisches Durchbruchfeld auf, sodass SiC als ideales Material für Hochleistungsgeräte gilt. Die gesättigte Elektronenmobilität von SiC ist ebenfalls doppelt so hoch wie die von Si und bietet auch offensichtliche Vorteile bei der Herstellung von Hochfrequenzgeräten. SiC-Kristalle vom P-Typ oder SiC-Kristalle vom N-Typ können durch Dotieren der Verunreinigungsatome in den Kristallen erhalten werden. Derzeit sind SiC-Kristalle vom P-Typ hauptsächlich mit Al, B, Be, O, Ga, Sc und anderen Atomen dotiert, und Sic-Kristalle vom N-Typ sind hauptsächlich mit N-Atomen dotiert. Der Unterschied in der Dotierungskonzentration und -art wird einen großen Einfluss auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften von SiC haben. Gleichzeitig kann der freie Träger durch die Tiefendotierung wie V festgehalten, der spezifische Widerstand erhöht und der halbisolierende SiC-Kristall erhalten werden.

(5) Optische Eigenschaften: Aufgrund der relativ großen Bandlücke ist der undotierte SiC-Kristall farblos und transparent. Die dotierten SiC-Kristalle zeigen aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften unterschiedliche Farben, zum Beispiel ist 6H-SiC nach der N-Dotierung grün; 4H-SiC ist braun. 15R-SiC ist gelb. Mit Al dotiert erscheint 4H-SiC blau. Es handelt sich um eine intuitive Methode zur Unterscheidung des SiC-Kristalltyps durch Beobachtung des Farbunterschieds. Durch die kontinuierliche Forschung auf SiC-bezogenen Gebieten in den letzten 20 Jahren wurden große Durchbrüche in verwandten Technologien erzielt.

 

Achte,Einführung des SiC-Entwicklungsstandes

Gegenwärtig ist die SiC-Industrie immer perfekter geworden, von Substratwafern über epitaktische Wafer bis hin zur Geräteproduktion und Verpackung. Die gesamte Industriekette ist ausgereift und kann SiC-bezogene Produkte auf den Markt bringen.

Cree ist ein führendes Unternehmen in der SiC-Kristallwachstumsbranche mit einer führenden Position sowohl bei der Größe als auch bei der Qualität von SiC-Substratwafern. Cree produziert derzeit 300.000 SiC-Substratchips pro Jahr, was mehr als 80 % der weltweiten Lieferungen ausmacht.

Im September 2019 kündigte Cree den Bau einer neuen Anlage im US-Bundesstaat New York an, in der modernste Technologie zum Züchten von Leistungs- und HF-SiC-Substratwafern mit 200 mm Durchmesser zum Einsatz kommen wird reifer werden.

Derzeit sind die Hauptprodukte von SiC-Substratchips auf dem Markt hauptsächlich leitfähige und halbisolierte 4H-SiC- und 6H-SiC-Typen von 2 bis 6 Zoll.
Im Oktober 2015 brachte Cree als erstes Unternehmen 200-mm-SiC-Substratwafer für N-Typ und LED auf den Markt und markierte damit den Beginn der Markteinführung von 8-Zoll-SiC-Substratwafern.
Im Jahr 2016 begann Romm mit dem Sponsoring des Venturi-Teams und war der erste, der die IGBT + SiC SBD-Kombination im Auto einsetzte, um die IGBT + Si FRD-Lösung im traditionellen 200-kW-Wechselrichter zu ersetzen. Nach der Verbesserung reduziert sich das Gewicht des Wechselrichters um 2 kg und die Größe um 19 % bei gleichbleibender Leistung.

Im Jahr 2017 wurde nach der weiteren Einführung von SiC MOS + SiC SBD nicht nur das Gewicht um 6 kg reduziert, sondern auch die Größe um 43 % reduziert und auch die Wechselrichterleistung von 200 kW auf 220 kW erhöht.
Nachdem Tesla im Jahr 2018 SIC-basierte Geräte in den Hauptantriebsumrichtern seiner Model-3-Produkte eingeführt hatte, verstärkte sich der Demonstrationseffekt schnell und machte den xEV-Automobilmarkt bald zu einer Quelle der Begeisterung für den SiC-Markt. Mit der erfolgreichen Anwendung von SiC ist auch der damit verbundene Marktproduktionswert rapide gestiegen.

Neunte,Abschluss:

Mit der kontinuierlichen Verbesserung der SiC-bezogenen Industrietechnologien werden deren Ertrag und Zuverlässigkeit weiter verbessert, der Preis von SiC-Geräten wird ebenfalls gesenkt und die Wettbewerbsfähigkeit von SiC auf dem Markt wird deutlicher. In Zukunft werden SiC-Geräte in verschiedenen Bereichen wie Automobilen, Kommunikation, Stromnetzen und Transport häufiger eingesetzt, und der Produktmarkt wird breiter und die Marktgröße wird weiter ausgebaut, was zu einer wichtigen Unterstützung für das Land wird Wirtschaft.