Quatrième, Méthode de transfert physique de vapeur
La méthode de transport physique de vapeur (PVT) est issue de la technologie de sublimation en phase vapeur inventée par Lely en 1955. La poudre de SiC est placée dans un tube en graphite et chauffée à haute température pour décomposer et sublimer la poudre de SiC, puis le tube en graphite est refroidi.Après la décomposition de la poudre de SiC, les composants en phase vapeur sont déposés et cristallisés en cristaux de SiC autour du tube en graphite.Bien que cette méthode soit difficile à obtenir des monocristaux de SiC de grande taille et que le processus de dépôt dans le tube de graphite soit difficile à contrôler, elle fournit des idées aux chercheurs ultérieurs.
Ym Terairov et al.en Russie, a introduit le concept de germes de cristal sur cette base et a résolu le problème de la forme incontrôlable des cristaux et de la position de nucléation des cristaux de SiC.Les chercheurs ultérieurs ont continué à améliorer et ont finalement développé la méthode de transport physique en phase gazeuse (PVT) utilisée aujourd'hui dans l'industrie.
En tant que première méthode de croissance de cristaux de SiC, la méthode de transfert physique de vapeur est la méthode de croissance la plus courante pour la croissance de cristaux de SiC.Comparé à d'autres procédés, le procédé nécessite peu d'équipement de croissance, un processus de croissance simple, une forte contrôlabilité, un développement et une recherche approfondis, et a réalisé une application industrielle.La structure du cristal développé par la méthode PVT actuelle est illustrée sur la figure.
Les champs de température axial et radial peuvent être contrôlés en contrôlant les conditions d'isolation thermique externe du creuset en graphite.La poudre de SiC est placée au fond du creuset en graphite à une température plus élevée, et le cristal germe de SiC est fixé au sommet du creuset en graphite à une température plus basse.La distance entre la poudre et le germe est généralement contrôlée à plusieurs dizaines de millimètres pour éviter tout contact entre le monocristal en croissance et la poudre.Le gradient de température est généralement compris entre 15 et 35 ℃/cm.Un gaz inerte de 50 à 5 000 Pa est conservé dans le four pour augmenter la convection.De cette façon, après que la poudre de SiC ait été chauffée à 2 000-2 500 ℃ par chauffage par induction, la poudre de SiC se sublimera et se décomposera en Si, Si2C, SiC2 et autres composants de vapeur, et sera transportée vers l'extrémité graine par convection de gaz, et le Le cristal SiC est cristallisé sur le cristal germe pour obtenir une croissance monocristalline.Son taux de croissance typique est de 0,1 à 2 mm/h.
Le processus PVT se concentre sur le contrôle de la température de croissance, du gradient de température, de la surface de croissance, de l'espacement des surfaces des matériaux et de la pression de croissance. Son avantage est que son processus est relativement mature, les matières premières sont faciles à produire, le coût est faible, mais le processus de croissance de La méthode PVT est difficile à observer, taux de croissance des cristaux de 0,2 à 0,4 mm/h, il est difficile de faire croître des cristaux de grande épaisseur (> 50 mm).Après des décennies d'efforts continus, le marché actuel des plaquettes de substrat SiC cultivées par la méthode PVT est très énorme, et la production annuelle de plaquettes de substrat SiC peut atteindre des centaines de milliers de plaquettes, et sa taille passe progressivement de 4 pouces à 6 pouces. , et a développé 8 pouces d'échantillons de substrat SiC.
Cinquième,Méthode de dépôt chimique en phase vapeur à haute température
Le dépôt chimique en phase vapeur à haute température (HTCVD) est une méthode améliorée basée sur le dépôt chimique en phase vapeur (CVD).La méthode a été proposée pour la première fois en 1995 par Kordina et al., Université de Linkoping, Suède.
Le diagramme de la structure de croissance est présenté dans la figure :
Les champs de température axial et radial peuvent être contrôlés en contrôlant les conditions d'isolation thermique externe du creuset en graphite.La poudre de SiC est placée au fond du creuset en graphite à une température plus élevée, et le cristal germe de SiC est fixé au sommet du creuset en graphite à une température plus basse.La distance entre la poudre et le germe est généralement contrôlée à plusieurs dizaines de millimètres pour éviter tout contact entre le monocristal en croissance et la poudre.Le gradient de température est généralement compris entre 15 et 35 ℃/cm.Un gaz inerte de 50 à 5 000 Pa est conservé dans le four pour augmenter la convection.De cette façon, après que la poudre de SiC ait été chauffée à 2 000-2 500 ℃ par chauffage par induction, la poudre de SiC se sublimera et se décomposera en Si, Si2C, SiC2 et autres composants de vapeur, et sera transportée vers l'extrémité graine par convection de gaz, et le Le cristal SiC est cristallisé sur le cristal germe pour obtenir une croissance monocristalline.Son taux de croissance typique est de 0,1 à 2 mm/h.
Le processus PVT se concentre sur le contrôle de la température de croissance, du gradient de température, de la surface de croissance, de l'espacement des surfaces des matériaux et de la pression de croissance. Son avantage est que son processus est relativement mature, les matières premières sont faciles à produire, le coût est faible, mais le processus de croissance de La méthode PVT est difficile à observer, taux de croissance des cristaux de 0,2 à 0,4 mm/h, il est difficile de faire croître des cristaux de grande épaisseur (> 50 mm).Après des décennies d'efforts continus, le marché actuel des plaquettes de substrat SiC cultivées par la méthode PVT est très énorme, et la production annuelle de plaquettes de substrat SiC peut atteindre des centaines de milliers de plaquettes, et sa taille passe progressivement de 4 pouces à 6 pouces. , et a développé 8 pouces d'échantillons de substrat SiC.
Cinquième,Méthode de dépôt chimique en phase vapeur à haute température
Le dépôt chimique en phase vapeur à haute température (HTCVD) est une méthode améliorée basée sur le dépôt chimique en phase vapeur (CVD).La méthode a été proposée pour la première fois en 1995 par Kordina et al., Université de Linkoping, Suède.
Le diagramme de la structure de croissance est présenté dans la figure :
Lorsque le cristal de SiC est développé par la méthode en phase liquide, la distribution de température et de convection à l'intérieur de la solution auxiliaire est illustrée dans la figure :
On peut voir que la température près de la paroi du creuset dans la solution auxiliaire est plus élevée, tandis que la température au niveau du germe cristallin est plus basse.Pendant le processus de croissance, le creuset en graphite fournit une source de C pour la croissance des cristaux.Parce que la température à la paroi du creuset est élevée, la solubilité du C est grande et la vitesse de dissolution est rapide, une grande quantité de C sera dissoute au niveau de la paroi du creuset pour former une solution saturée de C. Ces solutions avec une grande quantité de C dissous sera transporté vers la partie inférieure des germes cristallins par convection au sein de la solution auxiliaire.En raison de la basse température de l'extrémité du germe cristallin, la solubilité du C correspondant diminue en conséquence et la solution saturée en C d'origine devient une solution sursaturée de C après avoir été transférée vers l'extrémité à basse température dans ces conditions.Le C suprataturé en solution combiné avec le Si en solution auxiliaire peut faire croître un cristal de SiC épitaxial sur un cristal germe.Lorsque la partie superforée de C précipite, la solution retourne à l'extrémité haute température de la paroi du creuset par convection et dissout à nouveau C pour former une solution saturée.
L'ensemble du processus se répète et le cristal SiC se développe.Dans le processus de croissance en phase liquide, la dissolution et la précipitation du C en solution constituent un indice très important de progression de la croissance.Afin d’assurer une croissance cristalline stable, il est nécessaire de maintenir un équilibre entre la dissolution du C au niveau de la paroi du creuset et la précipitation à l’extrémité germe.Si la dissolution du C est supérieure à la précipitation du C, alors le C dans le cristal s’enrichit progressivement et une nucléation spontanée du SiC se produira.Si la dissolution de C est inférieure à la précipitation de C, la croissance cristalline sera difficile à réaliser en raison du manque de soluté.
Dans le même temps, le transport de C par convection affecte également l’apport de C au cours de la croissance.Afin de faire croître des cristaux de SiC avec une qualité cristalline suffisamment bonne et une épaisseur suffisante, il est nécessaire d'assurer l'équilibre des trois éléments ci-dessus, ce qui augmente considérablement la difficulté de la croissance en phase liquide du SiC.Cependant, avec l'amélioration et l'amélioration progressives des théories et technologies associées, les avantages de la croissance en phase liquide des cristaux de SiC apparaîtront progressivement.
À l'heure actuelle, la croissance en phase liquide de cristaux SiC de 2 pouces peut être réalisée au Japon, et la croissance en phase liquide de cristaux de 4 pouces est également en cours de développement.À l'heure actuelle, les recherches nationales pertinentes n'ont pas donné de bons résultats et il est nécessaire de poursuivre les travaux de recherche pertinents.
Septième, Propriétés physiques et chimiques des cristaux de SiC
(1) Propriétés mécaniques : les cristaux SiC ont une dureté extrêmement élevée et une bonne résistance à l’usure.Sa dureté Mohs est comprise entre 9,2 et 9,3 et sa dureté Krit est comprise entre 2900 et 3100 Kg/mm2, ce qui la place juste derrière les cristaux de diamant parmi les matériaux découverts.En raison des excellentes propriétés mécaniques du SiC, la poudre de SiC est souvent utilisée dans l'industrie de la découpe ou du meulage, avec une demande annuelle pouvant atteindre des millions de tonnes.Le revêtement résistant à l'usure de certaines pièces utilisera également un revêtement SiC, par exemple, le revêtement résistant à l'usure de certains navires de guerre est composé d'un revêtement SiC.
(2) Propriétés thermiques : la conductivité thermique du SiC peut atteindre 3 à 5 W/cm·K, soit 3 fois celle du Si semi-conducteur traditionnel et 8 fois celle du GaAs.La production de chaleur du dispositif préparé par SiC peut être rapidement évacuée, de sorte que les exigences en matière de conditions de dissipation thermique du dispositif SiC sont relativement souples et qu'il est plus adapté à la préparation de dispositifs de haute puissance.Le SiC possède des propriétés thermodynamiques stables.Dans des conditions de pression normales, le SiC sera directement décomposé en vapeur contenant du Si et du C à des températures plus élevées..
(3) Propriétés chimiques : Le SiC a des propriétés chimiques stables, une bonne résistance à la corrosion et ne réagit avec aucun acide connu à température ambiante.Le SiC placé dans l’air pendant une longue période formera lentement une fine couche de SiO2 dense, empêchant ainsi d’autres réactions d’oxydation.Lorsque la température dépasse 1 700 ℃, la fine couche de SiO2 fond et s’oxyde rapidement.Le SiC peut subir une lente réaction d'oxydation avec des oxydants ou des bases fondus, et les plaquettes de SiC sont généralement corrodées dans du KOH et du Na2O2 fondus pour caractériser la dislocation dans les cristaux de SiC..
(4) Propriétés électriques : le SiC en tant que matériau représentatif des semi-conducteurs à large bande interdite, les largeurs de bande interdite du 6H-SiC et du 4H-SiC sont respectivement de 3,0 eV et 3,2 eV, soit 3 fois celle du Si et 2 fois celle du GaAs.Les dispositifs semi-conducteurs en SiC ont un courant de fuite plus faible et un champ électrique de claquage plus important, le SiC est donc considéré comme un matériau idéal pour les dispositifs de haute puissance.La mobilité électronique saturée du SiC est également 2 fois supérieure à celle du Si et présente également des avantages évidents dans la préparation de dispositifs haute fréquence.Des cristaux de SiC de type P ou des cristaux de SiC de type N peuvent être obtenus en dopant les atomes d'impuretés dans les cristaux.À l'heure actuelle, les cristaux de SiC de type P sont principalement dopés par Al, B, Be, O, Ga, Sc et d'autres atomes, et les cristaux de SiC de type N sont principalement dopés par des atomes de N.La différence de concentration et de type de dopage aura un impact important sur les propriétés physiques et chimiques du SiC.Dans le même temps, le porteur libre peut être cloué par un dopage profond tel que V, la résistivité peut être augmentée et le cristal SiC semi-isolant peut être obtenu.
(5) Propriétés optiques : en raison de la bande interdite relativement large, le cristal SiC non dopé est incolore et transparent.Les cristaux de SiC dopés présentent des couleurs différentes en raison de leurs propriétés différentes, par exemple, le 6H-SiC est vert après dopage au N ;Le 4H-SiC est brun.Le 15R-SiC est jaune.Dopé à l'Al, le 4H-SiC apparaît en bleu.C'est une méthode intuitive pour distinguer le type de cristal SiC en observant la différence de couleur.Grâce aux recherches continues dans les domaines liés au SiC au cours des 20 dernières années, de grandes avancées ont été réalisées dans les technologies connexes.
Huitième,Introduction du statut de développement SiC
À l'heure actuelle, l'industrie du SiC est devenue de plus en plus parfaite, depuis les plaquettes de substrat, les plaquettes épitaxiales jusqu'à la production de dispositifs, en passant par l'emballage, l'ensemble de la chaîne industrielle a mûri et peut fournir sur le marché des produits liés au SiC.
Cree est un leader dans l'industrie de la croissance cristalline SiC avec une position de leader en termes de taille et de qualité des tranches de substrat SiC.Cree produit actuellement 300 000 puces de substrat SiC par an, ce qui représente plus de 80 % des expéditions mondiales.
En septembre 2019, Cree a annoncé qu'elle construirait une nouvelle installation dans l'État de New York, aux États-Unis, qui utilisera la technologie la plus avancée pour produire des tranches de substrat de puissance et RF SiC de 200 mm de diamètre, indiquant que sa technologie de préparation de matériaux de substrat SiC de 200 mm a devenir plus mature.
À l'heure actuelle, les principaux produits de puces à substrat SiC sur le marché sont principalement des types conducteurs et semi-isolés 4H-SiC et 6H-SiC de 2 à 6 pouces.
En octobre 2015, Cree a été le premier à lancer des tranches de substrat SiC de 200 mm pour le type N et les LED, marquant ainsi le début de la commercialisation des tranches de substrat SiC de 8 pouces.
En 2016, Romm a commencé à sponsoriser l'équipe Venturi et a été le premier à utiliser la combinaison IGBT + SiC SBD dans la voiture pour remplacer la solution IGBT + Si FRD dans l'onduleur traditionnel de 200 kW.Après l'amélioration, le poids de l'onduleur est réduit de 2 kg et la taille est réduite de 19 % tout en conservant la même puissance.
En 2017, après l'adoption ultérieure du SiC MOS + SiC SBD, non seulement le poids a été réduit de 6 kg, mais la taille a été réduite de 43 % et la puissance de l'onduleur est également passée de 200 kW à 220 kW.
Après que Tesla a adopté des dispositifs basés sur SIC dans les principaux onduleurs de ses produits Model 3 en 2018, l'effet de démonstration a été rapidement amplifié, faisant du marché automobile xEV une source d'enthousiasme pour le marché SiC.Grâce à l'application réussie du SiC, la valeur de sa production marchande associée a également augmenté rapidement.
Neuvième,Conclusion:
Avec l'amélioration continue des technologies industrielles liées au SiC, son rendement et sa fiabilité seront encore améliorés, le prix des dispositifs SiC sera également réduit et la compétitivité du SiC sur le marché sera plus évidente.À l'avenir, les dispositifs SiC seront plus largement utilisés dans divers domaines tels que l'automobile, les communications, les réseaux électriques et les transports, et le marché des produits sera plus large et la taille du marché sera encore élargie, devenant ainsi un support important pour le marché national. économie.
Heure de publication : 25 janvier 2024