Tatlong SIC Single Crystal Growth Technologies

Ang mga pangunahing pamamaraan para sa paglaki ng mga solong kristal ng SIC ay:Physical Vapor Transport (PVT), Mataas na temperatura ng pag -aalis ng singaw ng kemikal (HTCVD)atPaglago ng Mataas na Solusyon sa Temperatura (HTSG). Tulad ng ipinapakita sa Figure 1. Kabilang sa mga ito, ang pamamaraan ng PVT ay ang pinaka -mature at malawak na ginagamit na pamamaraan sa yugtong ito. Sa kasalukuyan, ang 6-pulgada na solong kristal na substrate ay na-industriyalisado, at ang 8-pulgada na solong kristal ay matagumpay din na lumaki ng Cree sa Estados Unidos noong 2016. Gayunpaman, ang pamamaraang ito ay may mga limitasyon tulad ng mataas na density ng depekto, mababang ani, mahirap na pagpapalawak ng diameter, at mataas na gastos.

Ang pamamaraan ng HTCVD ay gumagamit ng prinsipyo na ang pinagmulan ng pinagmulan ng gas ay reaksyon ng chemically upang makabuo ng sic sa isang mataas na temperatura na kapaligiran ng tungkol sa 2100 ℃ upang makamit ang paglaki ng mga solong kristal. Tulad ng pamamaraan ng PVT, ang pamamaraang ito ay nangangailangan din ng isang mataas na temperatura ng paglago at may mataas na gastos sa paglago. Ang pamamaraan ng HTSG ay naiiba sa itaas ng dalawang pamamaraan. Ang pangunahing prinsipyo nito ay ang paggamit ng paglusaw at pagsasaalang -alang ng mga elemento ng SI at C sa isang mataas na solusyon sa temperatura upang makamit ang paglaki ng SIC solong kristal. Ang kasalukuyang ginagamit na teknikal na modelo ay ang pamamaraan ng TSSG.

Ang pamamaraang ito ay maaaring makamit ang paglaki ng SIC sa isang malapit na thermodynamic na estado ng balanse sa isang mas mababang temperatura (sa ibaba 2000 ° C), at ang mga lumalaking kristal ay may mga pakinabang ng mataas na kalidad, mababang gastos, madaling pagpapalawak ng diameter, at madaling matatag na p-type doping. Inaasahan na maging isang pamamaraan para sa paghahanda ng mas malaki, mas mataas na kalidad at mas mababang gastos na SIC solong kristal pagkatapos ng pamamaraan ng PVT.

Larawan 1. Schematic Diagram ng Mga Prinsipyo ng Tatlong SIC Single Crystal Growth Technologies

01 Kasaysayan ng Pag-unlad at Kasalukuyang Katayuan ng TSSG na lumago ng SIC Single Crystals

Ang pamamaraan ng HTSG para sa lumalagong SIC ay may kasaysayan na higit sa 60 taon.

Noong 1961, Halden et al. Una na nakuha ang SIC solong mga kristal mula sa isang mataas na temperatura na natutunaw kung saan natunaw ang C, at pagkatapos ay ginalugad ang paglaki ng mga solong kristal ng SIC mula sa isang solusyon na may mataas na temperatura na binubuo ng Si+X (kung saan ang x ay isa o higit pa sa mga elemento na Fe, CR, SC, TB, PR, atbp.).

Noong 1999, Hofmann et al. Mula sa Unibersidad ng Erlangen sa Alemanya ay gumagamit ng purong SI bilang isang self-flux at ginamit ang mataas na temperatura at mataas na presyon ng TSSG na pamamaraan upang mapalago ang mga solong kristal na may diameter na 1.4 pulgada at isang kapal ng mga 1 mm sa unang pagkakataon.

Noong 2000, na-optimize nila ang proseso at lumago ang mga kristal ng SIC na may diameter na 20-30 mm at isang kapal ng hanggang sa 20 mm gamit ang purong SI bilang isang self-flux sa isang mataas na presyon ng AR na kapaligiran na 100-200 bar sa 1900-2400 ° C.

Simula noon, ang mga mananaliksik sa Japan, South Korea, France, China at iba pang mga bansa ay sunud -sunod na nagsagawa ng pananaliksik sa paglaki ng SIC solong kristal na mga substrate ng pamamaraan ng TSSG, na ginawa ang pamamaraan ng TSSG na mabilis na umunlad sa mga nakaraang taon. Kabilang sa mga ito, ang Japan ay kinakatawan ng Sumitomo Metal at Toyota. Ang talahanayan 1 at Figure 2 ay nagpapakita ng pag -unlad ng pananaliksik ng Sumitomo metal sa paglago ng SIC solong kristal, at ang Talahanayan 2 at Larawan 3 ay nagpapakita ng pangunahing proseso ng pananaliksik at mga kinatawan na resulta ng Toyota.

Ang pangkat ng pananaliksik na ito ay nagsimulang magsagawa ng pananaliksik sa paglaki ng mga kristal ng SIC ng pamamaraan ng TSSG noong 2016, at matagumpay na nakakuha ng isang 2-pulgada na 4H-SiC na kristal na may kapal na 10 mm. Kamakailan lamang, ang koponan ay matagumpay na lumaki ng isang 4-pulgada na 4H-SiC crystal, tulad ng ipinapakita sa Figure 4.

Larawan 2.Optical na larawan ng SIC Crystal na lumago ng koponan ng Sumitomo Metal gamit ang pamamaraan ng TSSG

Larawan 3.Kinatawan ng mga nakamit ng koponan ng Toyota sa lumalagong mga solong kristal na sic gamit ang pamamaraan ng TSSG

Larawan 4. Mga Representative na nakamit ng Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, sa lumalagong SIC Single Crystals gamit ang TSSG Paraan

02 Pangunahing Mga Prinsipyo ng Lumalagong SIC Single Crystals sa pamamagitan ng TSSG Paraan

Ang SIC ay walang natutunaw na punto sa normal na presyon. Kapag ang temperatura ay umabot sa itaas ng 2000 ℃, direktang mag -gasify at mabulok. Samakatuwid, hindi posible na palaguin ang mga solong kristal sa pamamagitan ng dahan -dahang paglamig at pagpapatibay ng sic matunaw ng parehong komposisyon, iyon ay, matunaw na pamamaraan.

Ayon sa diagram ng binary phase ng SI-C, mayroong isang dalawang yugto ng rehiyon ng "L+SIC" sa dulo ng Si Gayunpaman, ang solubility ng purong Si para sa C ay masyadong mababa, kaya kinakailangan upang magdagdag ng pagkilos ng bagay sa SI matunaw upang makatulong sa pagtaas ng konsentrasyon ng C sa solusyon sa mataas na temperatura. Sa kasalukuyan, ang pangunahing mode ng teknikal na mode para sa paglaki ng SIC solong mga kristal sa pamamagitan ng pamamaraan ng HTSG ay pamamaraan ng TSSG. Ang Figure 5 (a) ay isang diagram ng eskematiko ng prinsipyo ng lumalagong sic solong kristal sa pamamagitan ng pamamaraan ng TSSG.

Kabilang sa mga ito, ang regulasyon ng mga katangian ng thermodynamic ng mataas na temperatura na solusyon at ang dinamika ng proseso ng solute na transportasyon at interface ng paglago ng kristal upang makamit ang isang mahusay na pabago-bagong balanse ng supply at demand ng solute C sa buong sistema ng paglago ay ang susi upang mas mahusay na mapagtanto ang paglaki ng SIC solong kristal ng pamamaraan ng TSSG.

Larawan 5. (a) diagram ng eskematiko ng sic solong kristal na paglaki ng pamamaraan ng TSSG; (b) diagram ng eskematiko ng paayon na seksyon ng rehiyon ng L+sic two-phase

03 Mga katangian ng Thermodynamic ng mga solusyon sa high-temperatura

Ang pagtunaw ng sapat na C sa mga solusyon sa mataas na temperatura ay ang susi sa lumalagong sic solong kristal ng pamamaraan ng TSSG. Ang pagdaragdag ng mga elemento ng flux ay isang epektibong paraan upang madagdagan ang solubility ng C sa mga solusyon sa mataas na temperatura.

Kasabay nito, ang pagdaragdag ng mga elemento ng flux ay mag-regulate din ng density, lagkit, pag-igting sa ibabaw, pagyeyelo at iba pang mga thermodynamic na mga parameter ng mga solusyon na may mataas na temperatura na malapit na nauugnay sa paglago ng kristal, sa gayon ay direktang nakakaapekto sa mga thermodynamic at kinetic na proseso sa paglaki ng kristal. Samakatuwid, ang pagpili ng mga elemento ng flux ay ang pinaka -kritikal na hakbang sa pagkamit ng pamamaraan ng TSSG para sa paglaki ng mga solong kristal ng SIC at ang pokus ng pananaliksik sa larangang ito.

Maraming mga binary high-temperatura na solusyon sa solusyon na naiulat sa panitikan, kabilang ang Li-Si, Ti-Si, Cr-Si, Fe-Si, Sc-Si, Ni-Si at Co-Si. Kabilang sa mga ito, ang mga binary system ng Cr-Si, Ti-Si at Fe-Si at ang mga multi-component system tulad ng CR-Ce-al-Si ay mahusay na binuo at nakakuha ng mahusay na mga resulta ng paglago ng kristal.

Ipinapakita ng Figure 6 (a) ang ugnayan sa pagitan ng rate ng paglago ng SIC at temperatura sa tatlong magkakaibang mga sistema ng solusyon na may mataas na temperatura ng cr-Si, Ti-Si at Fe-Si, na naitala ni Kawanishi et al. ng Tohoku University sa Japan noong 2020.

Tulad ng ipinapakita sa Figure 6 (b), Hyun et al. Dinisenyo ng isang serye ng mga sistema ng solusyon na may mataas na temperatura na may ratio ng komposisyon ng SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, TI, V, CR, MN, FE, CO, NI, CU, RH at PD) upang ipakita ang solubility ng C.

Larawan 6. )

04 Regulasyon ng Kinetics ng Paglago

Upang mas mahusay na makakuha ng de-kalidad na sic solong kristal, kinakailangan din na ayusin ang kinetics ng pag-ulan ng kristal. Samakatuwid, ang isa pang pokus na pananaliksik ng pamamaraan ng TSSG para sa lumalagong SIC solong kristal ay ang regulasyon ng mga kinetics sa mga solusyon sa mataas na temperatura at sa interface ng paglago ng kristal.

Ang pangunahing paraan ng regulasyon ay kinabibilangan ng: pag-ikot at paghila ng proseso ng kristal at krus na krus, regulasyon ng patlang ng temperatura sa sistema ng paglago, pag-optimize ng crucible na istraktura at laki, at regulasyon ng mataas na temperatura na solusyon sa pag-convert sa pamamagitan ng panlabas na magnetic field. Ang pangunahing layunin ay upang ayusin ang patlang ng temperatura, patlang ng daloy at solute na patlang ng konsentrasyon sa interface sa pagitan ng mataas na temperatura na solusyon at paglago ng kristal, upang mas mahusay at mas mabilis na pag-ubos ng SIC mula sa mataas na temperatura na solusyon sa isang maayos na paraan at lumago sa mataas na kalidad na malaking sukat na mga kristal.

Sinubukan ng mga mananaliksik ang maraming mga pamamaraan upang makamit ang dynamic na regulasyon, tulad ng "crucible accelerated na teknolohiya ng pag -ikot" na ginamit ni Kusunoki et al. Sa kanilang trabaho ay naiulat noong 2006, at ang "Concave Solution Growth Technology" na binuo ni Daikoku et al.

Noong 2014, Kusunoki et al. Nagdagdag ng isang istraktura ng singsing na grapayt bilang isang gabay sa paglulubog (IG) sa Crucible upang makamit ang regulasyon ng convection ng high-temperatura na solusyon. Sa pamamagitan ng pag-optimize ng laki at posisyon ng singsing ng grapayt, ang isang pantay na paitaas na mode ng transportasyon ay maaaring maitatag sa solusyon na may mataas na temperatura sa ibaba ng kristal na binhi, sa gayon pinapabuti ang rate ng paglago at kalidad ng kristal, tulad ng ipinapakita sa Larawan 7.

Larawan 7: (a) Mga resulta ng kunwa ng daloy ng solusyon sa mataas na temperatura at pamamahagi ng temperatura sa crucible; 

(b) diagram ng eskematiko ng aparato ng pang -eksperimentong at buod ng mga resulta

05 Mga Bentahe ng TSSG Paraan para sa Lumalagong SIC Single Crystals

Ang mga bentahe ng pamamaraan ng TSSG sa lumalagong mga solong kristal ay makikita sa mga sumusunod na aspeto:

. Noong 1999, Hofmann et al. Napansin at napatunayan sa pamamagitan ng optical mikroskopyo na ang mga microtubes ay maaaring mabisang sakop sa proseso ng paglaki ng SIC solong kristal sa pamamagitan ng TSSG na pamamaraan, tulad ng ipinapakita sa Larawan 8.

Larawan 8: Pag -aalis ng mga microtubes sa panahon ng paglaki ng SIC solong kristal ng pamamaraan ng TSSG:

. 

(b) Optical micrograph ng parehong lugar sa mode ng pagmuni -muni, na nagpapahiwatig na ang mga microtubes ay ganap na nasasakop.

.

Ang mga nauugnay na koponan ng pananaliksik ng Toyota at Sumitomo Corporation ay matagumpay na nakamit ang artipisyal na nakokontrol na pagpapalawak ng kristal na kristal sa pamamagitan ng paggamit ng teknolohiyang "Meniscus Height Control", tulad ng ipinapakita sa Larawan 9 (a) at (b).

Larawan 9: (a) diagram ng eskematiko ng teknolohiyang kontrol ng meniskus sa pamamaraan ng TSSG; 

(b) Pagbabago ng anggulo ng paglago θ na may taas ng meniskus at view ng sic crystal na nakuha ng teknolohiyang ito; 

(c) paglago para sa 20 h sa isang meniskus na taas na 2.5 mm; 

(d) paglago para sa 10 h sa isang taas na meniskus na 0.5 mm;

(e) Paglago para sa 35 h, na may taas na meniskus na unti -unting tumataas mula sa 1.5 mm sa isang mas malaking halaga.

(3) Kumpara sa pamamaraan ng PVT, ang pamamaraan ng TSSG ay mas madaling makamit ang matatag na p-type doping ng mga kristal ng SIC. Halimbawa, Shirai et al. ng Toyota na iniulat noong 2014 na sila ay lumaki ng mababang-resistivity p-type 4H-SiC crystals sa pamamagitan ng TSSG na pamamaraan, tulad ng ipinapakita sa Larawan 10.

Larawan 10: (a) Side view ng p-type sic solong kristal na lumago ng pamamaraan ng TSSG; 

(b) paghahatid ng optical na larawan ng isang paayon na seksyon ng kristal; 

.

06 Konklusyon at pananaw

Ang pamamaraan ng TSSG para sa lumalagong SIC solong kristal ay gumawa ng mahusay na pag-unlad sa nakaraang 20 taon, at ang ilang mga koponan ay lumago ng mataas na kalidad na 4-pulgada na SIC solong kristal ng pamamaraan ng TSSG.

Gayunpaman, ang karagdagang pag -unlad ng teknolohiyang ito ay nangangailangan pa rin ng mga breakthrough sa mga sumusunod na pangunahing aspeto:

(1) malalim na pag-aaral ng mga thermodynamic na katangian ng solusyon;

(2) ang balanse sa pagitan ng rate ng paglago at kalidad ng kristal;

(3) ang pagtatatag ng mga matatag na kondisyon ng paglago ng kristal;

(4) Ang pagbuo ng pino na teknolohiya ng kontrol ng dynamic.

Bagaman ang pamamaraan ng TSSG ay medyo nasa likuran pa rin ng pamamaraan ng PVT, pinaniniwalaan na sa patuloy na pagsisikap ng mga mananaliksik sa larangang ito, dahil ang mga pangunahing problemang pang -agham ng paglaki ng SIC solong kristal ng pamamaraan ng TSSG ay patuloy na malulutas at ang mga pangunahing teknolohiya sa proseso ng paglago ay patuloy na nasira, ang teknolohiyang ito ay magiging industriyalisado, sa gayon ay nagbibigay ng buong paglalaro sa potensyal na pag -unlad ng TSG na pamamaraan para sa lumalagong SIC Single Crystals at higit na nagtutulak sa mabilis na pag -unlad ng mabilis na pag -unlad ng mabilis na pag -unlad ng mabilis na pag -unlad ng mabilis na pag -unlad ng mabilis na pag -unlad ng mabilis na pag -unlad ng SIC Industry.