Se han logrado avances en el estudio de monocristales de carburo de silicio de 8 pulgadas

Las características de alta calidad del cristal de la capa epitaxial de SiC hacen que la capa epitaxial deba tener una estructura cristalina de alta pureza y baja densidad de defectos para garantizar la confiabilidad de los componentes de SiC. La superficie de la capa epitaxial con buena topografía superficial debe ser plana y lisa, sin escalones obvios ni partículas de impurezas, lo que ayuda a mejorar la estabilidad de los componentes de SiC. Los elementos dopantes en la capa epitaxial deben distribuirse uniformemente, lo que puede garantizar que el rendimiento eléctrico de los componentes de SiC sea constante. Para obtener una capa epitaxial de SiC de alta calidad, se requiere tecnología de crecimiento avanzada y control de procesos. Al mismo tiempo, también se necesita la capa epitaxial.

El carburo de silicio (SiC) es un semiconductor compuesto de banda prohibida ancha con alta intensidad de campo de ruptura (aproximadamente 10 veces la del Si), alta tasa de deriva de electrones saturados (aproximadamente 2 veces la del Si) y alta conductividad térmica (3 veces la del Si). y 10 veces la del GaAs). En comparación con dispositivos similares basados ​​en silicio, los dispositivos de SiC tienen las ventajas de resistencia a altas temperaturas, resistencia a altos voltajes, características de alta frecuencia, alta eficiencia de conversión, tamaño pequeño y peso liviano, etc., y tienen un importante potencial de aplicación en vehículos eléctricos y tránsito ferroviario. , transmisión y transformación de energía de alto voltaje, fotovoltaica, comunicación 5G y otros campos. El sustrato monocristalino de SiC de alta calidad, bajo costo y gran tamaño es la base para preparar dispositivos de SiC, y dominar la tecnología de procesamiento y crecimiento de cristales de SiC con derechos de propiedad intelectual independientes ha sido el foco de la investigación en campos relacionados.

Desde 1999, el equipo de investigación de Chen Xiaolong, Laboratorio Clave de Materiales Avanzados y Análisis Estructural, Instituto de Física, Academia China de Ciencias/Centro Nacional de Investigación de Física de la Materia Condensada de Beijing, basado en innovación independiente, ha estudiado sistemáticamente las leyes básicas de la termodinámica. y dinámica de crecimiento del crecimiento de cristales de SiC con equipos de crecimiento de desarrollo propio, y comprendió el mecanismo de formación de transición de fase y defectos durante el crecimiento de cristales. Los métodos de expansión, control de resistividad y defectos propuestos formaron una serie de tecnologías clave, desde equipos de crecimiento hasta crecimiento y procesamiento de cristales de SiC de alta calidad, y aumentaron continuamente el diámetro de los cristales de SiC de menos de 10 mm (2000) a 2 pulgadas (2005). . En 2006, el equipo tomó la iniciativa en la industrialización de monocristales de SiC en China, transformó con éxito los resultados de la investigación en Beijing Tianke Heda Semiconductor Co., LTD. y desarrolló con éxito dispositivos de 4 pulgadas (2010) y 6 pulgadas (2014). Monocristales de SiC mediante la combinación de industria, universidad e investigación. En la actualidad, Beijing Tianke Heda ha realizado la producción y venta en masa de sustratos de SiC de 4 a 6 pulgadas y se ha convertido en uno de los principales proveedores internacionales de obleas conductoras de SiC.

El costo del dispositivo de SiC está formado principalmente por el sustrato, epitaxial, placa de flujo y sellado y otros enlaces, y el sustrato representa hasta el 45% del costo del dispositivo de SiC. Para reducir el costo de un solo dispositivo y ampliar aún más el tamaño del sustrato de SiC, aumentar la cantidad de dispositivos en un solo sustrato es la principal forma de reducir el costo. Un sustrato de SiC de 8 pulgadas tendrá una importante ventaja de reducción de costos sobre uno de 6 pulgadas. Se ha informado que el sustrato monocristalino de SiC internacional de 8 pulgadas se ha desarrollado con éxito, pero hasta el momento no se ha comercializado ningún producto.

La dificultad para el crecimiento de cristales de SiC de 8 pulgadas radica en: en primer lugar, se debe desarrollar un cristal semilla de 8 pulgadas; En segundo lugar, es necesario resolver el problema de la distribución desigual del material en el campo de temperatura y en fase gaseosa y la eficiencia del transporte causada por el gran tamaño. Además, es necesario solucionar el problema del agrietamiento de los cristales provocado por una mayor tensión. Sobre la base de la investigación existente, en 2017, el investigador Chen Xiaolong, el estudiante de doctorado Yang Naiji, el investigador asociado Li Hui y el ingeniero jefe Wang Wenjun comenzaron a estudiar el cristal de SiC de 8 pulgadas. A través de una investigación continua, dominaron la distribución del campo a temperatura ambiente y las características de transporte en fase gaseosa a alta temperatura del crecimiento de 8 pulgadas. Utilizando SiC de 6 pulgadas como cristal semilla, diseñaron un dispositivo propicio para la expansión y el crecimiento del SiC. Se resuelve el problema de la nucleación policristalina en el borde de los cristales semilla durante el proceso de expansión del diámetro. Se ha diseñado un nuevo tipo de dispositivo de crecimiento para mejorar la eficiencia del transporte de materias primas. A través de muchas iteraciones, el tamaño del cristal de SiC se expande gradualmente. Al mejorar el proceso de recocido, se reduce la tensión en el cristal y se inhibe el agrietamiento del cristal. En octubre de 2021 se cultivó inicialmente un cristal de SiC de 8 pulgadas sobre un sustrato de desarrollo propio.

El exitoso desarrollo del monocristal conductor de SiC de 8 pulgadas es otro avance histórico realizado por el Instituto de Física en el campo de los semiconductores de banda prohibida ancha. Después de la transformación de los resultados de investigación y desarrollo, ayudará a mejorar la competitividad internacional del sustrato monocristalino de SiC de China y promoverá el rápido desarrollo de la industria de semiconductores de banda ancha de China.

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