碳化硅(SiC)晶体是如何诞生的?

作者:admin  来源:半导体全解 作者圆圆De圆  发布时间:2024-03-05  访问量:1098

SiC晶体材料的主流生长技术有物理气相输运法、高温溶液法和高温化学气相沉积法。


SiC材料这几年关注的人越来越多,逐渐从幕后走到了台前,技术的进步少不了那些研发SiC材料的科技工作者夜以继日。

在8年前,人们都还不太关注SiC材料时,一家公司已经看到了这种材料的优势,并开始赞助赛车队,并将车队车辆上的IGBT+Si的FRD方案升级为IGBT+SiC的SBD方案,因此赛车的整车重量下降了2公斤,尺寸减小19%,对于高性能赛车来说,对速度追求到了极致,车辆的每个零件毫不夸张的说都要精确到克。在赛车性能和质量都得到优化的情况下,这次技术上的升级对赛车是质的提升。

就在SiC成功应用的第二年,也就是2017年,赛车电控模块再次进行了升级,采用SiC的MOS+SiC,在这次技术升级后,赛车的整车重量在前期的基础上又减少了6公斤,尺寸进一步减小43%,可以说这次的技术的升级,和传统功率器件甩开了差距。

这次升级,不仅对整车重量进行大幅度提升,车辆性能也同样如此,车辆高压控制也由原来的200KV提升到了220KV。SiC功率器件的成功应用,直接让整个行业开始关注SiC材料,SiC器件也逐渐从专业赛车上进入到乘用车辆中。

目前来看,在SiC晶体材料的生长上主流技术是以下三种:物理气相输运法、高温溶液法和高温化学气相沉积法。

在讲解技术之前,先举个例子来通俗的理解这三种技术,比如我们在菜市场买回一条鱼,将鱼做熟的方法大概是三种——蒸、煮、炖!生长SiC晶体的办法和这差不多,接下来我们来看看!



物理气相输运法




第一种办法叫物理气相输运法,简称PVT法,这种方法和做鱼时的清蒸有点像,只是蒸SiC时,我们会把SiC粉末像水蒸气一样蒸挥发掉,SiC蒸汽在低温处冷却结晶。我们蒸鱼时不会把鱼蒸飞,不然就吃不上鱼了。

如果对这种方法进行详细一点的介绍,PVT生长SiC是将SiC粉末放置在炉子的底端,给粉末加热,当温度达到2000-2500℃,等粉末高温分解成气态,反应方程式包含以下这些反应:

SiC(s)= Si(g)+C(s)
2SiC(s) = Si(g) + SiC2(g)
2SiC(s) = C(s)+ Si2C(g)

在SiC结晶时的反应包括以下几步:

Si2C(g) +SiC2(g) =3SiC(s)
Si(g) + SiC2(g) =2SiC(s)

因为蒸锅的下端温度高,上端温度低,蒸汽在上端冷却凝结,沿着籽晶的方向生长,最后形成SiC晶体。
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PVT设备因为结构操作容易,是目前主流的生长SiC晶体的方法,同时这种方法也有不足之处:


  • 在SiC晶体的扩径生长上比较困难,比如我们有了4英寸的晶体,想把晶体直径扩展到6英寸或者8英寸上,需要花费的周期特别长;
  • 在晶体掺杂上优势不明显。





高温溶液法




第二种方法叫高温溶液法这种方法是借助助溶剂对C元素的溶解来实现。

大家都知道溶剂在不同温度下对溶质的溶解能力不同。例如,我们倒一杯100℃的开水,放一些冰糖进去,当水温逐渐冷却下来时,可以看到杯底会析出冰糖,因为高温水和低温水对冰糖的溶解能力不同。

在对SiC晶体进行生长时,溶剂采用的是金属材质Cr,虽然常温下金属是固体,但在高温下金属也会融化成液态,也就成了一种溶液。

在石墨坩埚中装入SiC和Cr,Cr在这里如同一辆摆渡用的小船,把C元素从炉子的下面输运到炉子的上面去,在上端冷却结晶形成晶体。


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高温溶液法生长SiC的优势是:




  • 位错密度低,SiC衬底晶片中的位错问题一直是制约SiC器件性能的关键;
  • 易于实现扩径;
  • 可以获得p型晶体。



同时,这种方法也有一些不足之处,包括助熔液在高温下的升华、生长晶体中杂质浓度控制、 助熔液包裹、浮晶形成等。



高温化学气相沉积法




第三种方法叫高温化学气相沉积法(High Temperature Chemical Vapor Deposition,HTCVD),这种方法和前面两种方法有个比较大的区别是SiC的原材料发生了变化,前面生长SiC晶体时,原材料都选用的SiC粉末。而HTCVD所选用的SiC原材料是含有C元素和Si元素的有机气体。

HTCVD在生长SiC晶体时,采用管道向炉子内通入气体,气体在炉内反应生成SiC晶体。


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目前HTCVD生长SiC晶体还处于研发阶段,由于这种工艺设备复杂,成本高目前不是生长SiC晶体的主流技术。