1. Entwodiksyon nan Silisyòm Carbide
Materyèl semi-kondiktè yo te vin tounen yon pwen fokal nan konpetisyon mondyal gwo-teknoloji ak gwo rivalite pouvwa-. Pami yo, materyèl semi-conducteurs lajè-bandgap, ki reprezante pa carbure Silisyòm (SiC), yo te aplike nan aplikasyon gwo -echèl nan domèn kle tankou pwochen -jenerasyon kominikasyon mobil, griy entelijan, transpò tren gwo-vitès, nouvo machin enèji, ak elektwonik konsomatè. Silisyòm carbure prezante yon bandgap lajè, gwo pann elektrik jaden, segondè konduktiviti tèmik, gwo vitès saturation elèktron, ak gwo rezistans radyasyon. Li ka kraze nan limit pèfòmans nan aparèy semi-conducteurs ki baze sou Silisyòm-epi yo konsidere kòm "CPU" nan elektwonik pouvwa ak aparèy frekans radyo mikwo ond-, osi byen ke "chip debaz la" nan ekonomi vèt la [1].
Crystal Estrikti nan Silisyòm Carbide
Karbid Silisyòm se yon konpoze IV-IV ak pwopriyete fizik ak chimik inik. Si ak C atòm fòme lyezon kovalan lè yo pataje pè elèktron nan orbital ibrid sp³, sa ki lakòz yon estrikti lyezon tetraedral pou fòme kristal SiC. Silisyòm carbure gen plis pase 200 politip, ki konstwi pa anpile Si-C bicouches nan diferan sekans. Politip li te ye yo gen ladan 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R{-SiC, elatriye. Deziyasyon politip la baze sou kantite Si-C bikouch pou chak inite selil ki konbine avèk sistèm C pou inite kibik H, pou sistèm C pou inite kib. romboedrik). Diferan politip SiC gen diferan pwopriyete elektwonik, optik, ak mekanik, kidonk ofri avantaj diferan nan aplikasyon divès kalite [2-4].
3C-SiC: 3C-SiC se politip ki pi senp, ak yon estrikti kib fèmen-. Si ak C atòm yo ranje nan yon modèl espesifik twa dimansyon, fòme yon kristal trè simetrik. Akòz simetri li yo, 3C-SiC gen relativman pòv pwopriyete elektwonik ak optik, kidonk li gen aplikasyon pratik limite.
4H-SiC ak 6H-SiC: Kontrèman ak 3C-SiC, 4H-SiC ak 6H-SiC gen estrikti egzagonal fèmen-. Tou de politip yo pi wo pase 3C-SiC nan mobilite elèktron, konduktiviti tèmik, ak bandgap. 4H{-SiC gen pi wo mobilite elektwon, sa ki fè li pi ideyal pou gwo -frekans ak gwo -pouvwa aparèy elektwonik ak lajman ki itilize nan nouvo machin kominikasyon enèji, elatriye 5G{15}} pi gwo bandgap, sa ki fè li pi bon nan -tanperati wo ak gwo-anviwònman radyasyon [4].
Apèsi sou devlopman domestik ak entènasyonal nan Silisyòm Carbide
Nan ane 1990 yo, konpayi lòt bò dlo tankou Cree ak Westinghouse te deja pran devan nan devlope ak pwodwi substrats SiC 2-4 pous. Antre nan 21yèm syèk la, ak iterasyon teknolojik kontinyèl, 6-pous SiC wafers piti piti te vin endikap nan mache a. Kondwi pa kwasans eksplozif nan machin elektrik la ak nouvo endistri enèji, demann mondyal pou materyèl SiC te kontinye ap monte. Antrepwiz domestik ak etranje ak enstitisyon rechèch yo te ogmante envestisman R&D nan gwo-gwosè,-wo kalite SiC wafers. Kounye a, manifaktirè entènasyonal yo tankou Wolfspeed, II-VI, ak Rohm te reyalize pwodiksyon an mas nan substrat SiC 8-pous. Anba UN "14yèm senk ane plan" Lachin nan, domestik 8-pous SiC substrate pwodiksyon tou te antre nan sèn endistriyalizasyon an, ak konpayi yo tankou TankeBlue, SICC, ak Jingsheng Mechanical & Electrical successivement anonse pakèt rezèv 8-pous SiC substrats [5].
Kounye a, 6-pous SiC rete endikap komèsyal mondyal la, pandan y ap pwodwi 8 pous yo akselere nan direksyon endistriyalizasyon. Dekouvèt yo konsantre nan jaden SiC 12-pous make yon pwen vire enpòtan pou endistri semi-conducteurs twazyèm jenerasyon an. Konpayi domestik ki gen ladan SICC, Jingsheng Mechanical & Electrical, Jingyue Semiconductor, Tiancheng Semiconductor, Keyou Semiconductor, Hoshine Silisyòm, Nansha Jingyuan, GlobalWafers, Shuoke Crystal, osi byen ke Wolfspeed ki baze nan Etazini, tout te fè gwo pwogrè nan devlopman 12-pous SiC substrats ak yon sèl crystal.
2. Metòd pou prepare Silisyòm Carbide Single Crystals
Kounye a, twa metòd prensipal ki kapab pwodwi gwo -bon jan kalite kristal sèl SiC yo se metòd transpò vapè fizik (PVT), metòd segondè -depo vapè chimik segondè (HTCVD) ak metòd Top -Kwasans solisyon Seeded (TSSG).
Metòd transpò vapè fizik (PVT).
An 1955, Lely te premye itilize metòd sublimasyon pou grandi kristal sèl SiC. Sepandan, metòd sa a te gen anpil dezavantaj nannan: tanperati kwasans ekstrèmman wo, difikilte nan jisteman kontwole nucleation, efikasite kwasans ki ba, dispèsyon lajè nan paramèt elektrik nan kristal yo ki kapab lakòz, ak jeneralman ti gwosè kristal. Kòm yon rezilta, bon jan kalite a nan kristal SiC ki te pwodwi pa metòd la Lely te pòv, pandan y ap depans yo rete wo. Defi teknik sa a pa te simonte jiska 1978, lè Tairov ak kòlèg li yo te entwodwi yon kristal grenn nan pwosesis kwasans lan ki baze sou metòd tradisyonèl Lely la, ki pèmèt kontwòl efikas sou nikleyasyon ak diminye tanperati kwasans lan. Metòd sa a te vin konnen kòm metòd Lely modifye, sa vle di, metòd transpò vapè fizik [6-9].
Metòd PVT a gen teknoloji ki gen matirite ak kontwòl fò, epi li se kounye a metòd prensipal pou pwodwi gwo-bon jan kalite, gwo-SiC. Nan metòd sa a, yo mete poud SiC nan pati anba a nan yon kreze grafit, epi yo mete yon kristal grenn SiC nan tèt la. Kreze grafit la chofe nan tanperati sublimasyon SiC, sa ki lakòz poud lan dekonpoze an espès gaz tankou Si vapè, Si₂C, ak SiC₂. Kondwi pa yon gradyan tanperati axial, espès sa yo sublime nan tèt la nan kreze a epi kondanse sou sifas grenn SiC la, kristalize nan kristal sèl SiC [6]. Metòd sa a ka pwodwi an mas-pwodwi gwo-siC gwo-pite epi li apwopriye pou gwo-pwodiksyon endistriyèl, men dezavantaj li yo gen ladan to kwasans ralanti ak bezwen pou ekipman sibstansyèl, ki mennen nan gwo pri pwodiksyon.
Pou pwosesis kwasans PVT la, anpil faktè afekte kwasans kristal SiC, ki gen ladan tanperati, gradyan tanperati, presyon creuze, distans ant pitit pitit la ak poud polikristalin lan, ak pite poud.
1.1 SiC Powder sentèz
SiC poud, kòm materyèl la anvan tout koreksyon pou sentèz ak grandi kristal sèl, dirèkteman afekte bon jan kalite a ak pwopriyete elektwochimik nan kristal yo grandi. Diminye segregasyon konpozisyon pandan kwasans, bese kontni enpurte, ak amelyore pèfòmans transpò yo se objektif enpòtan nan preparasyon poud ak pretretman [8].
Poud SiC yo itilize pou grandi kristal sèl dwe satisfè kondisyon pite trè wo, ak kontni enpurte depreferans anba a 0.001%. Gen anpil metòd pou prepare SiC poud, ki ka klase dapre eta inisyal matyè premyè yo nan metòd solid-faz, likid-faz, ak metòd faz gaz-. Metòd solid-faz sitou gen ladan rediksyon carbothermal, kraze mekanik, ak pwòp tèt ou -pwopagasyon sentèz tanperati wo-; metòd faz likid -gen ladan sol-jèl ak dekonpozisyon polymère; metòd gaz-faz yo gen ladan depo chimik vapè ak metòd plasma. Pami sa yo, metòd gaz-faz yo ka jwenn gwo-poud SiC pite lè yo kontwole nivo enpurte nan sous gaz yo; pami metòd faz-likid, se sèlman metòd sol-jèl ki ka pwodwi poud ki satisfè kondisyon pite yo pou kwasans yon sèl -kristal; pami metòd solid-faz, amelyore pwòp tèt ou -pwopagasyon metòd sentèz tanperati ki wo-se kounye a pwosesis ki pi lajman itilize ak matirite pou preparasyon poud SiC [2,8].
1.2 Crucible
Estrikti entèn nan crucible dirèkteman afekte gwosè a ak bon jan kalite a nan grandi SiC kristal yo sèl; zòn nan kwasans limite andedan creuze a se yon faktè enpòtan ki limite elajisman dyamèt [7]. Anplis de sa, crucibles ka prezante enpurte metal akòz pite materyèl ak faktè machin. Lè enpurte sa yo prezan, yo lakòz chofaj inegal nan creuze a, ki afekte distribisyon an jaden tanperati andedan gwo founo dife a epi konsa bon jan kalite kristal. Pou evite sa a, kreze a dwe sibi tretman pou pirifye [2].
1.3 Grenn Crystal
Pou kristal SiC, diferan direksyon kwasans montre to kwasans diferan. Chwa a ak aranjman nan sifas kwasans lan afekte pa sèlman bon jan kalite kristal, men tou gwosè kristal. Mòfoloji ak estrikti sifas grenn yo afekte dirèkteman kantite micropipes ak defo nan kristal la. Pou jwenn gwo -sèl kristal gwosè, yon gwo kristal grenn se yon avantou. Anjeneral, atachman grenn yo reyalize lè l sèvi avèk adhésifs. Tipikman, modifye rezin fenolik yo fonn nan acetoacetate etil pou fòme yon adezif, ki se respire aplike nan do a nan grenn SiC la ak sifas ki pi ba nan kouvèti a creuze. Presyon yo aplike sou sifas pitit pitit yo pou chase bul ak adezif depase. Lè sa a, kouvèti a mete nan yon fou pou chofaj epi kenbe pou 2 èdtan, ki te swiv pa karbonizasyon nan adezif la nan yon atmosfè agon. Yo dwe pran prekosyon pou asire presyon inifòm pandan lyezon pou evite fann grenn nan akòz estrès inegal [2].
1.4 Paramèt Kwasans
Anviwònman tanperati, presyon, gradyan tanperati, rezèv gaz, ak lòt paramèt pandan kwasans yon sèl kristal SiC{0}} afekte dirèkteman inifòmite, kristalinite, ak pwopriyete defo kristal yo depoze yo. Rechèch ak konsepsyon de paramèt kwasans kristal yo te toujou yon konsantre kle. Pwosesis kwasans kristal sitou enplike kontwole tanperati ak presyon. Kwasans kristal SiC gen ladan transfè chalè, transfè mas, ak reyaksyon chimik. Distribisyon nan jaden tanperati andedan gwo fou a lajman detèmine bon jan kalite a ak to kwasans nan kristal yo sèl SiC. Konpreyansyon egzak sou jaden tanperati a ak pwosesis transpò vapè yo enpòtan anpil pou jwenn gwo -bon jan kalite, gwo- kristal [7].
Metòd Top-Kwasans solisyon Seeded (TSSG).
Metòd TSSG la, ke yo rele tou metòd faz likid -, grandi kristal sèl SiC nan yon vitès pi dousman, men kristal yo pwodwi gen gwo pèfeksyon estriktirèl. Aparèy TSSG la konsiste de yon bobin endiksyon, izolasyon grafit, yon kreze grafit, yon fonn Si, yon kristal grenn SiC, ak yon baton rale. Yo itilize kreze grafit la paske li reziste chalè-ak korozyon-, li sèvi kòm yon veso pou fonn Si la, epi li bay sous kabòn pou kwasans kristal tou. Silisyòm matyè premyè ak dopan yo mete nan kreze grafit la. Depi tanperati a nan miray ranpa a wo anpil pandan ke nan baton an pitit pitit yo ba, kabòn fonn soti nan kreze a grafit ak konbine avèk Silisyòm fonn nan grenn nan, fòme kristal SiC. Konpare ak metòd PVT la, metòd faz likid -ofri avantaj tankou pi ba dansite debwatman, pi fasil ekspansyon dyamèt, ak kapasite pou jwenn p-kalite kristal. Sepandan, pwoblèm rete konsènan kontwòl kontni enpurte ak seleksyon eleman tranzisyon yo.
Paske sans metòd TSSG la se disolisyon ak rkristalizasyon kabòn nan fonn Silisyòm lan, amelyore solubilite kabòn nan solisyon Si la se kle pou kwasans sik yon sèl kristal SiC -. Sepandan, solubility nan kabòn nan Silisyòm se trè ba, sèlman apeprè 13% menm nan tanperati a peritectic nan 3037 K. Anplis, Silisyòm vaporize dirèkteman pi wo a 2273 K, kidonk lòt tranzisyon oswa eleman ra -latè yo dwe ajoute nan solisyon an Si pou ogmante solubility kabòn. Se poutèt sa, chwazi yon sòlvan ki apwopriye se etap ki pi kritik pou kwasans siksè kristal SiC pa metòd TSSG la. Yon lòt konsantre rechèch kle se kontwole pwosesis sinetik yo pandan kwasans lan. Anplis de sa, enklizyon sòlvan ak kontwòl politip yo se pwoblèm enpòtan nan kwasans solisyon [5,10].
Metòd segondè -depo vapè chimik (HTCVD).
Reaktè HTCVD a konsiste de yon kreze grafit ak yon kristal grenn ki mete nan tèt, izolasyon ekstèn, ak chofaj endiksyon. Matyè premyè yo se silisyòm gaz- ak kabòn-ki gen konpoze tankou SiH₄, SiCl₄, C₃H₈, ak C₂H₂. Lè yo kontwole tanperati a ak presyon andedan raktor a, SiC ap grandi sou grenn lan nan tanperati 2200 degre -2500 degre. Konpare ak metòd PVT la, metòd HTCVD a ofri avantaj tankou pite segondè, kontwòl pratik nan rapò C / Si, ak rezèv kontinyèl nan materyèl sous. Dezavantaj li yo se ke tou de sous Silisyòm ak kabòn soti nan gaz, ak tanperati a kwasans segondè mennen nan gwo konsomasyon pouvwa ak pri pwodiksyon [2-3].
3. Tandans Devlopman nan Silisyòm Carbide Single Crystals
Gade pi devan, gwo-bon jan kalite SiC sèl- teknoloji preparasyon kristal pral kontinye amelyore nan kat gwo direksyon: gwo-gwosè, segondè-bon jan kalite, pri ki ba-, ak entèlijan [11]:
Gwo-gwosè: Dyamèt kristal sèl SiC te elaji soti nan echèl milimèt-byen bonè rive nan 6-pous, 8-pous, e menm 12-pous ak pi lwen. Preparasyon kristal gwo-gwosè ka siyifikativman amelyore efikasite pwodiksyon, diminye depans fabrikasyon inite yo, ak pi byen satisfè bezwen yo nan aparèy elektwonik pouvwa gwo pouvwa.
Bon kalite-: Substra-wo kalite SiC yo se fondasyon debaz pou aparèy serye ki gen gwo -pèfòmans. Malgre ke bon jan kalite kristal sèl-SiC amelyore anpil, defo kristal tankou mikropip, dislokasyon, ak enpurte yo rete toupatou, ki afekte dirèkteman pèfòmans aparèy ak fyab alontèm-. Efò nan lavni yo pral konsantre sou dekouvèt kontinyèl nan kontwòl defo.
Pri ki ba-: Kounye a, pri relativman wo nan preparasyon pou yon sèl kristal SiC limite aplikasyon gwo-echèl li nan plis senaryo. Rediksyon pri nan lavni yo ka reyalize lè yo optimize pwosesis kwasans kristal, amelyore rannman ak efikasite pwodiksyon, ak diminye matyè premyè ak depans konsome nan tout chèn endistri a.
Entelijan: Pouvwa pa entèlijans atifisyèl, gwo done, ak lòt teknoloji, pwosesis kwasans kristal SiC la pral piti piti vin pi entelijan. Atravè deplwaman nan-detèktè nan liy ak sistèm kontwòl otomatik, siveyans tan reyèl-ak regilasyon egzak nan tout pwosesis kwasans lan ka reyalize, amelyore estabilite pwosesis la ak konsistans. Konbine avèk gwo - analiz done, paramèt kwasans yo ka optimize iterativman pou plis amelyore kalite kristal ak efikasite pwodiksyon an.