Nne, Njia ya uhamishaji wa mvuke halisi
Njia ya usafiri wa mvuke wa kimwili (PVT) ilitoka kwa teknolojia ya usablimishaji wa awamu ya mvuke iliyovumbuliwa na Lely mwaka wa 1955. Poda ya SiC huwekwa kwenye bomba la grafiti na joto kwa joto la juu ili kuoza na kusalisha poda ya SiC, na kisha bomba la grafiti limepozwa. Baada ya mtengano wa poda ya SiC, vipengele vya awamu ya mvuke huwekwa na kuunganishwa kwenye fuwele za SiC karibu na tube ya grafiti. Ingawa njia hii ni ngumu kupata fuwele kubwa za SiC moja, na mchakato wa utuaji kwenye bomba la grafiti ni ngumu kudhibiti, inatoa maoni kwa watafiti waliofuata.
Ym Terairov et al. nchini Urusi ilianzisha dhana ya fuwele za mbegu kwa msingi huu, na kutatua tatizo la sura ya kioo isiyoweza kudhibitiwa na nafasi ya nucleation ya fuwele za SiC. Watafiti waliofuata waliendelea kuboresha na hatimaye kuendeleza mbinu ya usafiri wa awamu ya gesi (PVT) katika matumizi ya viwanda leo.
Kama mbinu ya awali ya ukuaji wa fuwele ya SiC, mbinu ya uhamishaji wa mvuke halisi ndiyo njia kuu ya ukuaji kwa ukuaji wa fuwele ya SiC. Ikilinganishwa na mbinu zingine, mbinu hii ina mahitaji ya chini ya vifaa vya ukuaji, mchakato rahisi wa ukuaji, udhibiti thabiti, maendeleo kamili na utafiti, na imetimiza matumizi ya viwandani. Muundo wa fuwele iliyokuzwa na njia kuu ya sasa ya PVT imeonyeshwa kwenye takwimu.
Sehemu za joto za axial na radial zinaweza kudhibitiwa kwa kudhibiti hali ya nje ya insulation ya mafuta ya crucible ya grafiti. Poda ya SiC imewekwa chini ya crucible ya grafiti na joto la juu, na kioo cha mbegu cha SiC kinawekwa juu ya crucible ya grafiti na joto la chini. Umbali kati ya poda na mbegu kwa ujumla hudhibitiwa kuwa makumi ya milimita ili kuzuia kugusana kati ya fuwele moja inayokua na unga. Kiwango cha halijoto kawaida huwa katika safu ya 15-35 ℃/cm. Gesi ya ajizi ya 50-5000 Pa huwekwa kwenye tanuru ili kuongeza convection. Kwa njia hii, baada ya poda ya SiC kupashwa joto hadi 2000-2500 ℃ kwa kupokanzwa kwa induction, poda ya SiC itashuka na kuoza kuwa Si, Si2C, SiC2 na vipengele vingine vya mvuke, na kusafirishwa hadi mwisho wa mbegu kwa convection ya gesi, na Fuwele ya SiC imeangaziwa kwenye kioo cha mbegu ili kufikia ukuaji wa fuwele moja. Kiwango cha ukuaji wake wa kawaida ni 0.1-2mm / h.
Mchakato wa PVT unazingatia udhibiti wa joto la ukuaji, upinde wa joto, uso wa ukuaji, nafasi ya uso wa nyenzo na shinikizo la ukuaji, faida yake ni kwamba mchakato wake umekomaa kiasi, malighafi ni rahisi kuzalisha, gharama ni ya chini, lakini mchakato wa ukuaji wa Njia ya PVT ni vigumu kuchunguza, kiwango cha ukuaji wa kioo cha 0.2-0.4mm / h, ni vigumu kukua fuwele na unene mkubwa (> 50mm). Baada ya miongo kadhaa ya juhudi zinazoendelea, soko la sasa la mikate ya kaki ya SiC iliyokuzwa kwa njia ya PVT imekuwa kubwa sana, na pato la kila mwaka la kaki ndogo za SiC zinaweza kufikia mamia ya maelfu ya kaki, na saizi yake inabadilika polepole kutoka inchi 4 hadi inchi 6. , na imetengeneza inchi 8 za sampuli ndogo za SiC.
Tano,Mbinu ya uwekaji wa mvuke wa kemikali ya joto la juu
Uwekaji wa Mvuke wa Kemikali wa Joto la Juu (HTCVD) ni mbinu iliyoboreshwa kulingana na Uwekaji wa Mvuke wa Kemikali (CVD). Njia hiyo ilipendekezwa kwa mara ya kwanza mnamo 1995 na Kordina et al., Chuo Kikuu cha Linkoping, Uswidi.
Mchoro wa muundo wa ukuaji unaonyeshwa kwenye takwimu:
Sehemu za joto za axial na radial zinaweza kudhibitiwa kwa kudhibiti hali ya nje ya insulation ya mafuta ya crucible ya grafiti. Poda ya SiC imewekwa chini ya crucible ya grafiti na joto la juu, na kioo cha mbegu cha SiC kinawekwa juu ya crucible ya grafiti na joto la chini. Umbali kati ya poda na mbegu kwa ujumla hudhibitiwa kuwa makumi ya milimita ili kuzuia kugusana kati ya fuwele moja inayokua na unga. Kiwango cha halijoto kawaida huwa katika safu ya 15-35 ℃/cm. Gesi ya ajizi ya 50-5000 Pa huwekwa kwenye tanuru ili kuongeza convection. Kwa njia hii, baada ya poda ya SiC kupashwa joto hadi 2000-2500 ℃ kwa kupokanzwa kwa induction, poda ya SiC itashuka na kuoza kuwa Si, Si2C, SiC2 na vipengele vingine vya mvuke, na kusafirishwa hadi mwisho wa mbegu kwa convection ya gesi, na Fuwele ya SiC imeangaziwa kwenye kioo cha mbegu ili kufikia ukuaji wa fuwele moja. Kiwango cha ukuaji wake wa kawaida ni 0.1-2mm / h.
Mchakato wa PVT unazingatia udhibiti wa joto la ukuaji, upinde wa joto, uso wa ukuaji, nafasi ya uso wa nyenzo na shinikizo la ukuaji, faida yake ni kwamba mchakato wake umekomaa kiasi, malighafi ni rahisi kuzalisha, gharama ni ya chini, lakini mchakato wa ukuaji wa Njia ya PVT ni vigumu kuchunguza, kiwango cha ukuaji wa kioo cha 0.2-0.4mm / h, ni vigumu kukua fuwele na unene mkubwa (> 50mm). Baada ya miongo kadhaa ya juhudi zinazoendelea, soko la sasa la mikate ya kaki ya SiC iliyokuzwa kwa njia ya PVT imekuwa kubwa sana, na pato la kila mwaka la kaki ndogo za SiC zinaweza kufikia mamia ya maelfu ya kaki, na saizi yake inabadilika polepole kutoka inchi 4 hadi inchi 6. , na imetengeneza inchi 8 za sampuli ndogo za SiC.
Tano,Mbinu ya uwekaji wa mvuke wa kemikali ya joto la juu
Uwekaji wa Mvuke wa Kemikali wa Joto la Juu (HTCVD) ni mbinu iliyoboreshwa kulingana na Uwekaji wa Mvuke wa Kemikali (CVD). Njia hiyo ilipendekezwa kwa mara ya kwanza mnamo 1995 na Kordina et al., Chuo Kikuu cha Linkoping, Uswidi.
Mchoro wa muundo wa ukuaji unaonyeshwa kwenye takwimu:
Wakati kioo cha SiC kinapopandwa kwa njia ya awamu ya kioevu, joto na usambazaji wa convection ndani ya suluhisho la msaidizi huonyeshwa kwenye takwimu:
Inaweza kuonekana kuwa joto karibu na ukuta wa crucible katika suluhisho la msaidizi ni kubwa zaidi, wakati joto kwenye kioo cha mbegu ni cha chini. Wakati wa mchakato wa ukuaji, crucible ya grafiti hutoa chanzo cha C kwa ukuaji wa fuwele. Kwa sababu joto kwenye ukuta wa crucible ni kubwa, umumunyifu wa C ni kubwa, na kiwango cha kufuta ni haraka, kiasi kikubwa cha C kitafutwa kwenye ukuta wa crucible ili kuunda ufumbuzi uliojaa wa C. Suluhisho hizi kwa kiasi kikubwa ya C iliyoyeyushwa itasafirishwa hadi sehemu ya chini ya fuwele za mbegu kwa kupitisha ndani ya myeyusho wa ziada. Kwa sababu ya joto la chini la mwisho wa fuwele la mbegu, umumunyifu wa C inayolingana hupungua sawa, na suluhisho la asili lililojaa C linakuwa suluhisho la C baada ya kuhamishiwa mwisho wa joto la chini chini ya hali hii. Suprataturated C katika myeyusho pamoja na Si katika myeyusho kisaidizi inaweza kukuza kioo cha SiC epitaxial kwenye fuwele ya mbegu. Wakati sehemu yenye fomeru nyingi ya C inapotoka, suluhu hurudi kwenye mwisho wa halijoto ya juu wa ukuta unaopigika kwa upitishaji, na kuyeyusha C tena ili kuunda suluhu iliyojaa.
Mchakato wote unarudia, na kioo cha SiC kinakua. Katika mchakato wa ukuaji wa awamu ya kioevu, kufutwa na mvua ya C katika suluhisho ni ripoti muhimu sana ya maendeleo ya ukuaji. Ili kuhakikisha ukuaji thabiti wa fuwele, ni muhimu kudumisha usawa kati ya kufutwa kwa C kwenye ukuta wa crucible na mvua kwenye mwisho wa mbegu. Ikiwa kufutwa kwa C ni kubwa kuliko mvua ya C, basi C katika kioo huimarishwa hatua kwa hatua, na nucleation ya hiari ya SiC itatokea. Ikiwa kuyeyuka kwa C ni chini ya mvua ya C, ukuaji wa fuwele utakuwa mgumu kutekeleza kwa sababu ya ukosefu wa solute.
Wakati huo huo, usafiri wa C kwa convection pia huathiri ugavi wa C wakati wa ukuaji. Ili kukua fuwele za SiC na ubora wa kutosha wa kioo na unene wa kutosha, ni muhimu kuhakikisha usawa wa vipengele vitatu hapo juu, ambayo huongeza sana ugumu wa ukuaji wa awamu ya kioevu ya SiC. Hata hivyo, pamoja na uboreshaji wa taratibu na uboreshaji wa nadharia na teknolojia zinazohusiana, faida za ukuaji wa awamu ya kioevu ya fuwele za SiC zitaonyesha hatua kwa hatua.
Kwa sasa, ukuaji wa awamu ya kioevu ya fuwele za SiC za inchi 2 zinaweza kupatikana nchini Japani, na ukuaji wa awamu ya kioevu ya fuwele za inchi 4 pia inaendelezwa. Kwa sasa, utafiti husika wa ndani haujaona matokeo mazuri, na ni muhimu kufuatilia kazi husika ya utafiti.
Saba, Mali ya kimwili na kemikali ya fuwele za SiC
(1) Mitambo ya sifa: Fuwele za SiC zina ugumu wa juu sana na upinzani mzuri wa kuvaa. Ugumu wake wa Mohs ni kati ya 9.2 na 9.3, na ugumu wake wa Krit ni kati ya 2900 na 3100Kg/mm2, ambayo ni ya pili baada ya fuwele za almasi kati ya nyenzo ambazo zimegunduliwa. Kutokana na sifa bora za mitambo ya SiC, SiC ya poda mara nyingi hutumiwa katika sekta ya kukata au kusaga, na mahitaji ya kila mwaka ya hadi mamilioni ya tani. Mipako inayostahimili kuvaa kwenye vifaa vingine vya kazi pia itatumia mipako ya SiC, kwa mfano, mipako inayostahimili kuvaa kwenye baadhi ya meli za kivita inaundwa na mipako ya SiC.
(2) Sifa za joto: conductivity ya mafuta ya SiC inaweza kufikia 3-5 W/cm·K, ambayo ni mara 3 ya semiconductor ya jadi Si na mara 8 ya GaAs. Uzalishaji wa joto wa kifaa kilichoandaliwa na SiC unaweza kufanywa haraka, kwa hivyo mahitaji ya hali ya kutoweka kwa joto ya kifaa cha SiC ni huru, na inafaa zaidi kwa utayarishaji wa vifaa vya nguvu ya juu. SiC ina mali thabiti ya thermodynamic. Chini ya hali ya kawaida ya shinikizo, SiC itatenganishwa moja kwa moja kuwa mvuke iliyo na Si na C kwa juu.
(3) Sifa za kemikali: SiC ina sifa za kemikali dhabiti, sugu nzuri ya kutu, na haishirikiani na asidi yoyote inayojulikana kwenye joto la kawaida. SiC iliyowekwa hewani kwa muda mrefu itaunda polepole safu nyembamba ya SiO2 mnene, kuzuia athari zaidi za oksidi. Joto linapoongezeka hadi zaidi ya 1700℃, safu nyembamba ya SiO2 huyeyuka na kuoksidishwa haraka. SiC inaweza kupata mmenyuko wa polepole wa oxidation na vioksidishaji au besi za kuyeyuka, na kaki za SiC kawaida huharibika katika KOH iliyoyeyuka na Na2O2 ili kuashiria mtengano katika fuwele za SiC..
(4) Sifa za umeme: SiC kama nyenzo wakilishi ya halvledare bandgap pana, upana wa 6H-SiC na 4H-SiC ni 3.0 eV na 3.2 eV mtawalia, ambayo ni mara 3 ya Si na mara 2 ya GaAs. Vifaa vya kondakta nusu vilivyotengenezwa na SiC vina sehemu ndogo ya kuvuja ya sasa na kubwa ya kuvunjika kwa umeme, kwa hivyo SiC inachukuliwa kuwa nyenzo bora kwa vifaa vya nguvu ya juu. Uhamaji wa elektroni uliojaa wa SiC pia ni mara 2 zaidi kuliko ile ya Si, na pia ina faida dhahiri katika maandalizi ya vifaa vya juu-frequency. Fuwele za SiC za aina ya P au fuwele za SiC za aina ya N zinaweza kupatikana kwa kutumia doping atomi za uchafu kwenye fuwele. Kwa sasa, fuwele za SiC za aina ya P zinaathiriwa zaidi na Al, B, Be, O, Ga, Sc na atomi nyingine, na fuwele za sic za aina ya N zinatumiwa zaidi na atomi za N. Tofauti ya mkusanyiko na aina ya doping itakuwa na athari kubwa kwa mali ya kimwili na kemikali ya SiC. Wakati huo huo, mtoa huduma wa bure anaweza kupachikwa na doping ya kiwango cha kina kama vile V, upinzani unaweza kuongezeka, na kioo cha SiC cha kuhami nusu kinaweza kupatikana.
(5) Sifa za macho: Kwa sababu ya pengo pana la bendi, fuwele ya SiC isiyo na rangi haina rangi na uwazi. Fuwele za SiC za doped zinaonyesha rangi tofauti kutokana na mali zao tofauti, kwa mfano, 6H-SiC ni ya kijani baada ya doping N; 4H-SiC ni kahawia. 15R-SiC ni njano. Iliyochanganyikiwa na Al, 4H-SiC inaonekana ya bluu. Ni njia angavu ya kutofautisha aina ya fuwele ya SiC kwa kuangalia tofauti ya rangi. Kwa utafiti unaoendelea kuhusu nyanja zinazohusiana na SiC katika miaka 20 iliyopita, mafanikio makubwa yamefanywa katika teknolojia zinazohusiana.
ya nane,Utangulizi wa hali ya maendeleo ya SiC
Kwa sasa, tasnia ya SiC imezidi kuwa kamilifu, kutoka kwa kaki za substrate, kaki za epitaxial hadi uzalishaji wa kifaa, ufungaji, mlolongo mzima wa viwanda umekomaa, na inaweza kusambaza bidhaa zinazohusiana na SiC kwenye soko.
Cree ni kiongozi katika tasnia ya ukuaji wa fuwele ya SiC na nafasi ya kwanza katika saizi na ubora wa kaki ndogo za SiC. Cree kwa sasa inazalisha chips 300,000 za SiC substrate kwa mwaka, zikichukua zaidi ya 80% ya usafirishaji wa kimataifa.
Mnamo Septemba 2019, Cree ilitangaza kwamba itaunda kituo kipya katika Jimbo la New York, USA, ambacho kitatumia teknolojia ya hali ya juu zaidi kukuza nguvu ya kipenyo cha mm 200 na kaki ndogo za RF SiC, ikionyesha kuwa teknolojia yake ya utayarishaji wa nyenzo za 200 mm SiC ina. kuwa mtu mzima zaidi.
Kwa sasa, bidhaa za kawaida za chips za substrate za SiC kwenye soko ni hasa 4H-SiC na 6H-SiC aina ya conductive na nusu ya inchi 2-6.
Mnamo Oktoba 2015, Cree alikuwa wa kwanza kuzindua kaki ndogo za SiC za mm 200 za aina ya N na LED, ikiashiria mwanzo wa mikate ndogo ya SiC ya inchi 8 kwenye soko.
Mnamo 2016, Romm alianza kufadhili timu ya Venturi na alikuwa wa kwanza kutumia mchanganyiko wa IGBT + SiC SBD kwenye gari kuchukua nafasi ya suluhisho la IGBT + Si FRD katika kibadilishaji cha jadi cha 200 kW. Baada ya uboreshaji, uzito wa inverter hupunguzwa kwa kilo 2 na ukubwa hupunguzwa kwa 19% wakati wa kudumisha nguvu sawa.
Mnamo mwaka wa 2017, baada ya kupitishwa zaidi kwa SiC MOS + SiC SBD, si tu uzito umepungua kwa kilo 6, ukubwa umepungua kwa 43%, na nguvu ya inverter pia imeongezeka kutoka 200 kW hadi 220 kW.
Baada ya Tesla kupitisha vifaa vinavyotokana na SIC katika vibadilishaji vidhibiti kuu vya bidhaa zake za Model 3 mnamo 2018, athari ya onyesho ilikuzwa haraka, na kufanya soko la magari la xEV kuwa chanzo cha msisimko kwa soko la SiC. Kwa utumiaji wa mafanikio wa SiC, thamani yake ya soko inayohusiana nayo imepanda kwa haraka.
Tisa,Hitimisho:
Pamoja na uboreshaji unaoendelea wa teknolojia zinazohusiana na sekta ya SiC, mavuno na kutegemewa kwake kutaboreshwa zaidi, bei ya vifaa vya SiC pia itapunguzwa, na ushindani wa soko wa SiC utakuwa dhahiri zaidi. Katika siku zijazo, vifaa vya SiC vitatumika sana katika nyanja mbali mbali kama vile magari, mawasiliano, gridi za umeme, na usafirishaji, na soko la bidhaa litakuwa pana, na saizi ya soko itapanuliwa zaidi, na kuwa msaada muhimu kwa taifa. uchumi.
Muda wa kutuma: Jan-25-2024