Sono stati compiuti progressi nello studio dei cristalli singoli di carburo di silicio da 8 pollici

Le caratteristiche di alta qualità cristallina dello strato epitassiale SiC fanno sì che lo strato epitassiale debba avere una struttura cristallina di elevata purezza e bassa densità di difetti per garantire l'affidabilità dei componenti SiC. La superficie dello strato epitassiale con una buona topografia superficiale deve essere piatta e liscia, senza gradini evidenti e particelle di impurità, il che aiuta a migliorare la stabilità dei componenti SiC. Gli elementi droganti nello strato epitassiale devono essere distribuiti uniformemente, il che può garantire che le prestazioni elettriche dei componenti SiC siano costanti. Per ottenere uno strato epitassiale SiC di alta qualità, sono necessari una tecnologia di crescita avanzata e un controllo del processo. Allo stesso tempo è necessario anche lo strato epitassiale.

Il carburo di silicio (SiC) è un semiconduttore composto ad ampio gap di banda con elevata intensità di campo di rottura (circa 10 volte quella del Si), elevata velocità di deriva degli elettroni saturi (circa 2 volte quella del Si) ed elevata conduttività termica (3 volte quella del Si). e 10 volte quella del GaAs). Rispetto a dispositivi simili a base di silicio, i dispositivi SiC presentano i vantaggi di resistenza alle alte temperature, resistenza all'alta tensione, caratteristiche ad alta frequenza, elevata efficienza di conversione, dimensioni ridotte e peso leggero, ecc. E hanno un importante potenziale di applicazione nei veicoli elettrici, nel trasporto ferroviario , trasmissione e trasformazione di energia ad alta tensione, fotovoltaico, comunicazione 5G e altri campi. Il substrato monocristallo SiC di alta qualità, basso costo e di grandi dimensioni è la base per la preparazione dei dispositivi SiC e la padronanza della tecnologia di crescita e lavorazione dei cristalli SiC con diritti di proprietà intellettuale indipendenti è stata al centro della ricerca in campi correlati.

Dal 1999, il gruppo di ricerca di Chen Xiaolong, Laboratorio chiave di materiali avanzati e analisi strutturale, Istituto di fisica, Accademia cinese delle scienze/Centro nazionale di ricerca per la fisica della materia condensata di Pechino, basandosi sull'innovazione indipendente, ha studiato sistematicamente le leggi fondamentali della termodinamica e le dinamiche di crescita dei cristalli SiC con apparecchiature di crescita sviluppate autonomamente, e hanno compreso il meccanismo di formazione della transizione di fase e dei difetti durante la crescita dei cristalli. I metodi proposti per il controllo dei difetti, la resistività e l'espansione hanno costituito una serie di tecnologie chiave, dalle apparecchiature per la crescita alla crescita e lavorazione dei cristalli SiC di alta qualità, e hanno aumentato continuamente il diametro dei cristalli SiC da meno di 10 mm (2000) a 2 pollici (2005) . Nel 2006, il team ha assunto la guida dell'industrializzazione dei cristalli singoli SiC in Cina, ha trasformato con successo i risultati della ricerca presso la Tianke Heda Semiconductor Co., LTD. di Pechino e ha sviluppato con successo cristalli da 4 pollici (2010) e 6 pollici (2014). Monocristalli SiC attraverso la combinazione di industria, università e ricerca. Allo stato attuale, Pechino Tianke Heda ha realizzato la produzione di massa e la vendita di substrati SiC da 4-6 pollici ed è diventata uno dei principali fornitori di wafer conduttivi SiC internazionali.

Il costo del dispositivo SiC è formato principalmente dal substrato, dall'epitassiale, dalla piastra di flusso, dalla tenuta e da altri collegamenti, e il substrato rappresenta fino al 45% del costo del dispositivo SiC. Al fine di ridurre il costo di un singolo dispositivo ed espandere ulteriormente le dimensioni del substrato SiC, aumentare il numero di dispositivi su un singolo substrato è il modo principale per ridurre i costi. Un substrato SiC da 8 pollici avrà un significativo vantaggio in termini di riduzione dei costi rispetto a uno da 6 pollici. È stato riferito che il substrato internazionale monocristallo SiC da 8 pollici è stato sviluppato con successo, ma finora nessun prodotto è stato immesso sul mercato.

La difficoltà della crescita del cristallo SiC da 8 pollici risiede nel fatto che: prima di tutto, deve essere sviluppato il cristallo seme da 8 pollici; In secondo luogo, è necessario risolvere il problema del campo di temperatura non uniforme, della distribuzione del materiale in fase gassosa e dell'efficienza del trasporto causati dalle grandi dimensioni. Inoltre, è necessario risolvere il problema della rottura dei cristalli causata dall'aumento dello stress. Sulla base della ricerca esistente, nel 2017, il ricercatore Chen Xiaolong, il dottorando Yang Naiji, il ricercatore associato Li Hui e l'ingegnere capo Wang Wenjun hanno iniziato a studiare il cristallo SiC da 8 pollici. Attraverso la ricerca continua, hanno padroneggiato la distribuzione del campo a temperatura ambiente e le caratteristiche di trasporto della fase gassosa ad alta temperatura di una crescita di 8 pollici. Utilizzando SiC da 6 pollici come cristallo seme, hanno progettato un dispositivo favorevole all'espansione e alla crescita del SiC. Il problema della nucleazione policristallina sul bordo dei cristalli seme nel processo di espansione del diametro è risolto. Un nuovo tipo di dispositivo di crescita è progettato per migliorare l'efficienza del trasporto delle materie prime. Attraverso molte iterazioni, la dimensione del cristallo SiC viene gradualmente ampliata. Migliorando il processo di ricottura, lo stress nel cristallo viene ridotto e la rottura del cristallo viene inibita. Un cristallo SiC da 8 pollici è stato inizialmente coltivato su un substrato sviluppato autonomamente nell'ottobre 2021.

Lo sviluppo di successo del monocristallo conduttivo SiC da 8 pollici è un altro progresso fondamentale compiuto dall'Istituto di fisica nel campo dei semiconduttori con ampio gap di banda. Dopo la trasformazione dei risultati di ricerca e sviluppo, contribuirà a migliorare la competitività internazionale del substrato monocristallino SiC cinese e promuoverà il rapido sviluppo dell'industria cinese dei semiconduttori con ampio gap di banda.

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