1. Introduzzjoni għas-Silikon Carbide
Materjali semikondutturi saru punt fokali ta' kompetizzjoni globali ta'-teknoloġija għolja u rivalità ta'-qawwa kbira. Fosthom, materjali semikondutturi b'firxa wiesgħa-bandgap, rappreżentati minn karbur tas-silikon (SiC), ġew applikati f'applikazzjonijiet ta'-skala kbira f'oqsma ewlenin bħall-komunikazzjoni mobbli tal--ġenerazzjoni li jmiss, grids intelliġenti, trasport ferrovjarju ta'-veloċità għolja, vetturi tal-enerġija ġodda, u elettronika għall-konsumatur. Il-karbur tas-silikon għandu bandgap wiesa ', kamp elettriku ta' tqassim għoli, konduttività termali għolja, veloċità għolja ta 'saturazzjoni ta' elettroni, u reżistenza qawwija għar-radjazzjoni. Jista' jkisser il-limiti tal-prestazzjoni ta' apparati semikondutturi bbażati fuq is-silikon-u huwa meqjus bħala l-"CPU" tal-elettronika tal-enerġija u apparat ta' frekwenza tar-radju microwave-, kif ukoll iċ-"ċippa tal-qalba" tal-ekonomija ħadra [1].
Struttura tal-kristall tal-karbur tas-silikon
Il-karbur tas-silikon huwa kompost IV-IV bi proprjetajiet fiżiċi u kimiċi uniċi. L-atomi Si u C jiffurmaw rabtiet kovalenti billi jaqsmu pari ta 'elettroni f'orbitali ibridi sp³, li jirriżultaw fi struttura ta' rbit tetrahedral biex jiffurmaw kristalli SiC. Il-karbur tas-silikon għandu aktar minn 200 politip, li huma mibnija permezz ta 'stivar ta' saffi bis-Si-C f'sekwenzi differenti. Il-politipi magħrufa jinkludu 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R{-SiC, eċċ. Id-denominazzjoni tal-politip hija bbażata fuq in-numru ta' Si-C bilayers għal kull unità ta' ċellula kkombinata, is-sistema R għal C għal kull unità kubika romboedriku). Politipi SiC differenti għandhom proprjetajiet elettroniċi, ottiċi u mekkaniċi differenti, u b'hekk joffru vantaġġi distinti f'diversi applikazzjonijiet [2-4].
3C-SiC: 3C-SiC huwa l-aktar politip sempliċi, bi struttura kubika ppakkjata mill-qrib-. L-atomi Si u C huma rranġati f'mudell speċifiku tridimensjonali, li jiffurmaw kristall simetriku ħafna. Minħabba s-simetrija tiegħu, 3C-SiC għandu proprjetajiet elettroniċi u ottiċi relattivament fqar, għalhekk għandu applikazzjoni prattika limitata.
4H-SiC u 6H-SiC: B'differenza minn 3C-SiC, 4H-SiC u 6H-SiC għandhom strutturi eżagonali ppakkjati mill-qrib-. Iż-żewġ politipi huma superjuri għal 3C-SiC fil-mobilità tal-elettroni, konduttività termali, u bandgap. 4H-SiC għandu mobilità tal-elettroni ogħla, li jagħmilha aktar ideali għal-frekwenza għolja u apparati elettroniċi ta'-qawwa għolja u użat ħafna f'vetturi tal-enerġija ġodda, 5G{1}SiC}, eċċ. bandgap akbar, li jagħmilha aħjar f'ambjenti ta'-temperatura għolja u-radjazzjoni għolja [4].
Ħarsa ġenerali lejn l-Iżvilupp Domestiku u Internazzjonali tas-Silikon Carbide
Fis-snin 90, kumpaniji barranin bħal Cree u Westinghouse kienu diġà ħadu t-tmexxija fl-iżvilupp u l-produzzjoni ta 'sottostrati SiC ta' 2-4 pulzieri. Id-dħul fis-seklu 21, b'iterazzjoni teknoloġika kontinwa, wejfers SiC ta '6-inch gradwalment saru l-mainstream fis-suq. Immexxi mit-tkabbir splussiv tal-vetturi elettriċi u industriji ġodda tal-enerġija, id-domanda globali għall-materjali SiC kompliet tiżdied. Intrapriżi domestiċi u barranin u istituzzjonijiet ta' riċerka żiedu l-investiment fl-R&D f'wejfers SiC ta'-daqs kbir,-għoli. Bħalissa, manifatturi internazzjonali bħal Wolfspeed, II-VI, u Rohm kisbu produzzjoni tal-massa ta 'sottostrati SiC ta' 8 pulzieri. Taħt l-impetu tal-"14-il Pjan ta 'Ħames Snin" taċ-Ċina, il-produzzjoni domestika tas-sottostrat tas-SiC ta' 8 pulzieri daħlet ukoll fl-istadju tal-industrijalizzazzjoni, b'kumpaniji bħal TankeBlue, SICC, u Jingsheng Mechanical & Electrical suċċessivament iħabbru provvista ta 'lott ta' sottostrati SiC ta '8 pulzieri [5].
Fil-preżent, 6-pulzieri SiC jibqa 'l-mainstream kummerċjali globali, filwaqt li prodotti ta' 8 pulzieri qed jaċċelleraw lejn l-industrijalizzazzjoni. L-avvanzi kkonċentrati fil-qasam tas-SiC ta '12-il pulzier jimmarkaw punt ta' bidla kritiku għall-industrija tas-semikondutturi tat-tielet ġenerazzjoni. Kumpaniji domestiċi inklużi SICC, Jingsheng Mechanical & Electrical, Jingyue Semiconductor, Tiancheng Semiconductor, Keyou Semiconductor, Hoshine Silicon, Nansha Jingyuan, GlobalWafers, Shuoke Crystal, kif ukoll Wolfspeed ibbażata fl-Istati Uniti, kollha għamlu progress kbir fl-iżvilupp ta 'sustratti SiC ta' 12-il pulzier u crys singles.
2. Metodi għall-Preparazzjoni ta 'Kristalli Uniċi tal-Karbur tas-Silikon
Bħalissa, it-tliet metodi ewlenin li kapaċi jipproduċu kristalli singoli ta' -SiC ta' kwalità għolja huma l-metodu tat-Trasport Fiżiku tal-Fwar (PVT), il-metodu ta' -Deposizzjoni ta' Fwar Kimiku b'Temperatura Għolja (HTCVD), u l-metodu tat-Tkabbir tas-Soluzzjoni Miżrugħa (TSSG) Top-.
Metodu tat-Trasport Fiżiku tal-Fwar (PVT).
Fl-1955, Lely uża l-ewwel metodu tas-sublimazzjoni biex jikber kristalli singoli tas-SiC. Madankollu, dan il-metodu kellu ħafna żvantaġġi inerenti: temperaturi estremament għoljin ta 'tkabbir, diffikultà biex tikkontrolla b'mod preċiż in-nukleazzjoni, effiċjenza baxxa ta' tkabbir, tixrid wiesa 'ta' parametri elettriċi fil-kristalli li jirriżultaw, u daqsijiet tal-kristall ġeneralment żgħar. Bħala riżultat, il-kwalità tal-kristalli SiC prodotti bil-metodu Lely kienet fqira, filwaqt li l-ispejjeż baqgħu għoljin. Din l-isfida teknika ma ġietx megħluba sal-1978, meta Tairov u l-kollegi introduċew kristall taż-żerriegħa fil-proċess tat-tkabbir ibbażat fuq il-metodu Lely tradizzjonali, li jippermetti kontroll effettiv fuq in-nukleazzjoni u tnaqqas it-temperatura tat-tkabbir. Dan il-metodu sar magħruf bħala l-metodu Lely modifikat, jiġifieri, il-metodu Physical Vapor Transport [6-9].
Il-metodu PVT għandu teknoloġija matura u kontrollabbiltà qawwija, u bħalissa huwa l-metodu primarju għall-produzzjoni ta' SiC ta'-kwalità għolja, ta' daqs-kbir. F'dan il-metodu, trab SiC jitqiegħed fil-qiegħ ta 'griġjol tal-grafita, u kristall taż-żerriegħa SiC jitqiegħed fil-parti ta' fuq. Il-griġjol tal-grafita jissaħħan għat-temperatura tas-sublimazzjoni tas-SiC, u jikkawża li t-trab jiddekomponi fi speċi gassużi bħal fwar Si, Si₂C, u SiC₂. Immexxija minn gradjent ta 'temperatura axjali, dawn l-ispeċi sublimi sal-quċċata tal-griġjol u jikkondensaw fuq il-wiċċ taż-żerriegħa tas-SiC, kristallizzaw fi kristalli singoli tas-SiC [6]. Dan il-metodu jista'-jipproduċi b'massa-SiC ta'-purità għolja-u huwa adattat għal-produzzjoni industrijali fuq skala kbira, iżda l-iżvantaġġi tiegħu jinkludu rati ta' tkabbir bil-mod u l-ħtieġa għal tagħmir sostanzjali, li jwassal għal spejjeż ta' produzzjoni għoljin.
Għall-proċess ta 'tkabbir PVT, ħafna fatturi jaffettwaw it-tkabbir tal-kristall SiC, inkluż it-temperatura, il-gradjent tat-temperatura, il-pressjoni tal-griġjol, id-distanza bejn iż-żerriegħa u t-trab polikristallin, u l-purità tat-trab.
1.1 Sinteżi tat-Trab SiC
Trab tas-SiC, bħala l-materja prima għas-sintetizzazzjoni u t-tkabbir ta 'kristalli singoli, jaffettwa direttament il-kwalità u l-proprjetajiet elettrokimiċi tal-kristalli mkabbra. It-tnaqqis tas-segregazzjoni tal-kompożizzjoni waqt it-tkabbir, it-tnaqqis tal-kontenut ta 'impurità, u t-titjib tal-prestazzjoni tat-trasport huma għanijiet importanti fil-preparazzjoni tat-trab u t-trattament minn qabel [8].
It-trab tas-SiC użat għat-tkabbir ta 'kristalli singoli għandu jissodisfa rekwiżiti ta' purità għolja ħafna, b'kontenut ta 'impurità idealment taħt 0.001%. Hemm ħafna metodi għall-preparazzjoni tat-trab tas-SiC, li jistgħu jiġu kklassifikati mill-istat inizjali tal-materja prima f'metodi ta' fażi solida-, fażi likwida-, u metodi ta' fażi-gass. Metodi ta'-fażi solida prinċipalment jinkludu tnaqqis karbotermali, tgħaffiġ mekkaniku, u sinteżi ta' temperatura għolja-propagata waħedha; metodi ta'-fażi likwida jinkludu sol-ġel u dekompożizzjoni tal-polimer; metodi ta' fażi tal-gass-inkludu metodi ta' depożitu kimiku tal-fwar u plażma. Fost dawn, il-metodi tal--fażi tal-gass jistgħu jiksbu trab SiC ta'-purità għolja billi jikkontrollaw il-livelli ta' impurità fis-sorsi tal-gass; fost il-metodi ta'-fażi likwida, il-metodu sol-ġel biss jista' jipproduċi trab li jissodisfa r-rekwiżiti ta' purità għat-tkabbir ta'-kristall wieħed; fost il-metodi ta'-fażi solida, il-metodu ta' sinteżi ta' temperatura għolja-propagata awto-mtejba bħalissa huwa l-aktar proċess użat u matur għall-preparazzjoni tat-trab tas-SiC [2,8].
1.2 Griġjol
L-istruttura interna tal-griġjol taffettwa direttament id-daqs u l-kwalità tal-kristalli singoli SiC imkabbra; iż-żona ta' tkabbir limitata ġewwa l-griġjol hija fattur importanti li jirrestrinġi t-tkabbir tad-dijametru [7]. Barra minn hekk, il-griġjoli jistgħu jintroduċu impuritajiet tal-metall minħabba l-purità tal-materjal u l-fatturi tal-magni. Meta impuritajiet bħal dawn ikunu preżenti, jikkawżaw tisħin irregolari tal-griġjol, li jaffettwaw id-distribuzzjoni tal-kamp tat-temperatura ġewwa l-forn u għalhekk il-kwalità tal-kristall. Biex jiġi evitat dan, il-griġjol għandu jgħaddi minn trattament ta 'purifikazzjoni [2].
1.3 Kristall taż-żerriegħa
Għal kristalli SiC, direzzjonijiet ta 'tkabbir differenti juru rati ta' tkabbir differenti. L-għażla u l-arranġament tal-wiċċ tat-tkabbir jaffettwaw mhux biss il-kwalità tal-kristall iżda wkoll id-daqs tal-kristall. Il-morfoloġija u l-istruttura tal-wiċċ taż-żerriegħa jaffettwaw direttament in-numru ta 'mikropipes u difetti fil-kristall. Biex tikseb kristalli singoli ta' daqs kbir-, kristall taż-żerriegħa kbir huwa prerekwiżit. It-twaħħil taż-żerriegħa ġeneralment jinkiseb bl-użu ta 'adeżivi. Tipikament, reżina fenolika modifikata tinħall f'aċetoaċetat etiliku biex tifforma kolla, li tiġi applikata b'mod uniformi fuq in-naħa ta 'wara taż-żerriegħa tas-SiC u l-wiċċ t'isfel tal-għatu tal-griġjol. Il-pressjoni hija applikata fuq il-wiċċ taż-żerriegħa biex tkeċċi l-bżieżaq u l-adeżiv żejjed. L-għatu mbagħad jitqiegħed f'forn għat-tisħin u jinżamm għal sagħtejn, segwit minn karbonizzazzjoni tal-kolla f'atmosfera ta 'argon. Għandha tingħata attenzjoni biex tiġi żgurata pressjoni uniformi waqt it-twaħħil biex jiġi evitat il-qsim taż-żerriegħa minħabba stress irregolari [2].
1.4 Parametri tat-Tkabbir
Is-settings tat-temperatura, il-pressjoni, il-gradjent tat-temperatura, il-provvista tal-gass, u parametri oħra waqt it-tkabbir tal-kristall wieħed SiC-jaffettwaw direttament l-uniformità, il-kristallinità, u l-proprjetajiet tad-difetti tal-kristalli depożitati. Ir-riċerka u d-disinn tal-parametri tat-tkabbir tal-kristall dejjem kienu fokus ewlieni. Il-proċessi tat-tkabbir tal-kristall prinċipalment jinvolvu l-kontroll tat-temperatura u l-pressjoni. It-tkabbir tal-kristall SiC jinkludi trasferiment tas-sħana, trasferiment tal-massa, u reazzjonijiet kimiċi. Id-distribuzzjoni tal-kamp tat-temperatura ġewwa l-forn tiddetermina fil-biċċa l-kbira l-kwalità u r-rata tat-tkabbir tal-kristalli singoli tas-SiC. Fehim preċiż tal-kamp tat-temperatura u l-proċessi tat-trasport tal-fwar huwa kruċjali għall-kisba ta' kristalli ta'-kwalità għolja, ta' daqs-kbir [7].
Top-Metodu tat-Tkabbir tas-Soluzzjoni Miżrugħa (TSSG).
Il-metodu TSSG, magħruf ukoll bħala l-metodu tal-fażi likwida-, ikabbar kristalli singoli tas-SiC b'rata aktar bil-mod, iżda l-kristalli prodotti għandhom perfezzjoni strutturali għolja. L-apparat TSSG jikkonsisti minn coil ta 'induzzjoni, insulazzjoni tal-grafita, griġjol tal-grafita, tidwib tas-Si, kristall taż-żerriegħa tas-SiC, u virga tal-ġbid. Il-griġjol tal-grafita jintuża minħabba li huwa reżistenti għas-sħana-u reżistenti għall-korrużjoni-, li jservi bħala kontenitur għat-tidwib tas-Si, u jipprovdi wkoll is-sors tal-karbonju għat-tkabbir tal-kristall. Il-materja prima tas-silikon u d-dopants jitqiegħdu fil-griġjol tal-grafita. Peress li t-temperatura fil-ħajt tal-griġjol hija għolja filwaqt li dik fil-virga taż-żerriegħa hija baxxa, il-karbonju jinħall mill-griġjol tal-grafita u jingħaqad ma 'silikon imdewweb fiż-żerriegħa, u jifforma kristalli SiC. Meta mqabbel mal-metodu PVT, il-metodu tal-fażi likwida - joffri vantaġġi bħal densità ta 'dislokazzjoni aktar baxxa, espansjoni aktar faċli tad-dijametru, u l-abbiltà li tikseb kristalli tat-tip p-. Madankollu, għad fadal kwistjonijiet dwar il-kontroll tal-kontenut tal-impurità u l-għażla tal-elementi tat-tranżizzjoni.
Minħabba li l-essenza tal-metodu TSSG hija x-xoljiment u r-rikristallizzazzjoni tal-karbonju fit-tidwib tas-silikon, it-titjib tas-solubilità tal-karbonju fis-soluzzjoni Si hija essenzjali għat-tkabbir b'suċċess ta 'kristall wieħed SiC-. Madankollu, is-solubilità tal-karbonju fis-silikon hija estremament baxxa, madwar 13% biss anke fit-temperatura peritettika ta '3037 K. Barra minn hekk, is-silikon jifvaporizza direttament 'il fuq minn 2273 K, għalhekk għandhom jiżdiedu elementi oħra ta' transizzjoni jew -earth rari mas-soluzzjoni Si biex tiżdied is-solubilità tal-karbonju. Għalhekk, l-għażla ta 'solvent xieraq hija l-aktar pass kritiku għal tkabbir b'suċċess tal-kristalli SiC bil-metodu TSSG. Fokus ewlieni ieħor tar-riċerka huwa l-kontroll tal-proċessi kinetiċi waqt it-tkabbir. Barra minn hekk, l-inklużjoni tas-solvent u l-kontroll tal-politip huma kwistjonijiet importanti fit-tkabbir tas-soluzzjoni [5,10].
Metodu ta' -Deposizzjoni Kimika tal-Fwar ta' Temperatura Għolja (HTCVD).
Ir-reattur HTCVD jikkonsisti minn griġjol tal-grafita bi kristall taż-żerriegħa mqiegħed fil-parti ta 'fuq, insulazzjoni esterna, u tisħin bl-induzzjoni. Il-materja prima huma komposti li fihom is-silikon gassuż- u l-karbonju-bħas-SiH₄, SiCl₄, C₃H₈, u C₂H₂. Billi tikkontrolla t-temperatura u l-pressjoni ġewwa r-reattur, SiC jikber fuq iż-żerriegħa f'temperaturi ta '2200 grad -2500 grad. Meta mqabbel mal-metodu PVT, il-metodu HTCVD joffri vantaġġi bħal purità għolja, kontroll konvenjenti tal-proporzjon C/Si, u provvista kontinwa ta 'materjali mis-sors. L-iżvantaġġi tiegħu huma li kemm is-sorsi tas-silikon kif ukoll tal-karbonju ġejjin minn gassijiet, u t-temperatura għolja tat-tkabbir twassal għal konsum għoli ta 'enerġija u spejjeż ta' produzzjoni [2-3].
3. Xejriet ta 'żvilupp ta' Kristalli Uniċi tal-Karbur tas-Silikon
B'ħarsa 'l quddiem, it-teknoloġija tal-preparazzjoni ta' kristall wieħed SiC ta'-kwalità għolja-se tkompli titjieb f'erba' direzzjonijiet ewlenin: daqs-kbir,-kwalità għolja, bi prezz-baxx, u intelliġenti [11]:
Daqs-kbir: Id-dijametru tal-kristalli singoli tas-SiC kiber mill-iskala millimetrika-bikrija għall-kurrenti 6-pulzier, 8-pulzier, u anke 12-il pulzier u lil hinn. Il-preparazzjoni tal-kristall ta 'daqs kbir tista' ttejjeb b'mod sinifikanti l-effiċjenza tal-produzzjoni, tnaqqas l-ispejjeż tal-manifattura tal-unità, u tissodisfa aħjar il-ħtiġijiet ta 'apparat elettroniku ta' qawwa għolja.
Kwalità-għolja: Is-sottostrati ta'-SiC ta' kwalità għolja huma l-pedament ewlieni għal apparati affidabbli ta'-prestazzjoni għolja. Għalkemm il-kwalità tal--kristall wieħed SiC tjiebet ħafna, id-difetti tal-kristall bħal mikropajpijiet, dislokazzjonijiet, u impuritajiet jibqgħu mifruxa, li jaffettwaw direttament il-prestazzjoni tal-apparat u l-affidabbiltà-tul. L-isforzi futuri se jiffokaw fuq skoperti kontinwi fil-kontroll tad-difetti.
-Spiża baxxa: Bħalissa, l-ispiża relattivament għolja tal-preparazzjoni ta' kristall wieħed SiC-tillimita l-applikazzjoni tagħha fuq skala kbira-f'aktar xenarji. It-tnaqqis fl-ispejjeż fil-ġejjieni jista 'jinkiseb billi jiġu ottimizzati l-proċessi tat-tkabbir tal-kristall, ittejjeb ir-rendiment u l-effiċjenza tal-produzzjoni, u tnaqqas l-ispejjeż tal-materja prima u tal-konsum matul il-katina tal-industrija.
Intelliġenti: Is-setgħa minn intelliġenza artifiċjali, big data, u teknoloġiji oħra, il-proċess tat-tkabbir tal-kristall SiC se jsir gradwalment aktar intelliġenti. Permezz tal-iskjerament ta' sensuri in-linja u sistemi ta' kontroll awtomatizzati, jistgħu jinkisbu monitoraġġ-ħin reali u regolamentazzjoni preċiża tal-proċess kollu tat-tkabbir, li jtejbu l-istabbiltà u l-konsistenza tal-proċess. Flimkien ma' analiżi ta' dejta kbira-, il-parametri tat-tkabbir jistgħu jiġu ottimizzati b'mod iterattiv biex itejbu aktar il-kwalità tal-kristall u l-effiċjenza tal-produzzjoni.