ニュース - 炭化ケイ素の構造と成長技術（Ⅱ）

第4、 物理的蒸気転写法

物理的蒸気輸送 (PVT) 法は、1955 年に Lely によって発明された気相昇華技術に由来します。SiC 粉末をグラファイトチューブに入れ、高温に加熱して SiC 粉末を分解および昇華させ、その後グラファイトチューブを冷却します。SiC粉末の分解後、気相成分が析出し、グラファイトチューブの周囲にSiC結晶が生成します。この方法は大きなサイズのSiC単結晶を得るのが難しく、グラファイトチューブ内の堆積プロセスを制御するのが難しいですが、後続の研究者にアイデアを提供します。
Ym Terairov et al.ロシアでは、これに基づいて種結晶の概念を導入し、SiC結晶の制御不可能な結晶形状と核生成位置の問題を解決しました。その後の研究者たちは改良を続け、最終的に今日産業的に使用されている物理的気相輸送 (PVT) 方法を開発しました。

物理的気相転写法は最も初期のSiC結晶成長法であり、SiC結晶成長では最も主流の成長法です。この方法は他の方法と比較して、成長設備の必要性が低く、成長プロセスが簡単で、制御性が高く、開発と研究が徹底されており、産業応用を実現しています。現在主流のPVT法で成長させた結晶の構造を図に示します。

軸方向および半径方向の温度場は、黒鉛るつぼの外部断熱条件を制御することによって制御できます。SiC 粉末は高温の黒鉛るつぼの底部に配置され、SiC 種結晶は低温の黒鉛るつぼの上部に固定されます。成長する単結晶と粉末との接触を避けるため、粉末と種との距離は通常数十ミリメートルに制御されます。温度勾配は通常15～35℃/cmの範囲です。対流を高めるために、炉内には 50 ～ 5000 Pa の不活性ガスが維持されます。このようにして、SiC粉末が誘導加熱によって2000〜2500℃に加熱された後、SiC粉末は昇華してSi、Si2C、SiC2および他の蒸気成分に分解され、ガス対流によってシード端まで輸送され、種結晶上にSiC結晶を結晶化させて単結晶を成長させます。通常の成長速度は 0.1 ～ 2 mm/h です。

PVT プロセスは、成長温度、温度勾配、成長表面、材料表面間隔および成長圧力の制御に焦点を当てています。その利点は、そのプロセスが比較的成熟しており、原料の生産が容易で、コストが低いことですが、成長プロセスはPVT 法は観察が難しく、結晶成長速度は 0.2 ～ 0.4 mm/h であり、厚い結晶 (>50 mm) を成長させるのは困難です。数十年にわたる継続的な努力を経て、PVT法で成長させたSiC基板ウェーハの現在の市場は非常に巨大になり、SiC基板ウェーハの年間生産量は数十万枚に達する可能性があり、そのサイズは4インチから6インチへと徐々に変化しています。、8インチのSiC基板サンプルを開発しました。

五番目、高温化学気相成長法

高温化学気相成長 (HTCVD) は、化学気相成長 (CVD) をベースにした改良された方法です。この方法は、1995 年にスウェーデンのリンシェーピング大学の Kordina らによって初めて提案されました。
成長構造図を次の図に示します。

五番目、高温化学気相成長法

液相法でSiC結晶を成長させる場合、補助溶液内の温度と対流分布は下図のようになります。

補助溶液中のるつぼ壁付近の温度が高く、種結晶の温度が低いことがわかります。成長プロセス中、黒鉛るつぼは結晶成長のための C ソースを提供します。るつぼ壁の温度が高く、Cの溶解度が大きく、溶解速度が速いため、るつぼ壁で多量のCが溶解し、Cの飽和溶液が形成されます。溶解した C の一部は、補助溶液内の対流によって種結晶の下部に輸送されます。種結晶端の温度が低いため、対応する C の溶解度はそれに応じて減少し、この条件下で低温端に移送された後、元の C 飽和溶液は C の過飽和溶液になります。溶液中の過飽和Cが補助溶液中のSiと結合すると、種結晶上でSiC結晶をエピタキシャル成長させることができます。Cの過孔部分が析出すると、溶液は対流によりるつぼ壁の高温側に戻り、Cが再び溶解して飽和溶液となります。

このプロセス全体が繰り返され、SiC 結晶が成長します。液相成長の過程において、溶液中のCの溶解と析出は成長の進行状況を示す非常に重要な指標です。安定した結晶成長を確保するには、るつぼ壁での C の溶解とシード端での析出のバランスを維持する必要があります。Cの溶解がCの析出よりも大きい場合、結晶中のCは徐々に濃縮され、SiCの自然核生成が発生します。Ｃの溶解量がＣの析出量よりも少ないと、溶質が不足して結晶成長が困難となる。
同時に、対流による C の輸送も成長中の C の供給に影響を与えます。十分な結晶品質と十分な厚さを備えたSiC結晶を成長させるためには、上記の3つの要素のバランスを確保する必要があり、これがSiC液相成長の難易度を大幅に高めます。しかし、関連する理論と技術が徐々に改善され、改善されるにつれて、SiC結晶の液相成長の利点が徐々に現れるでしょう。
現在、日本では2インチSiC結晶の液相成長が可能であり、4インチ結晶の液相成長も開発されている。現時点では、国内での関連研究は良好な結果が得られておらず、関連研究作業をフォローアップする必要がある。

七番目、 SiC結晶の物理的および化学的性質

(1) 機械的特性：SiC 結晶は非常に高い硬度と優れた耐摩耗性を持っています。モース硬度は9.2～9.3、クリット硬度は2900～3100Kg/mm2で、これまでに発見されている物質の中ではダイヤモンド結晶に次ぐ第2位です。SiC の優れた機械的特性により、粉末 SiC は切断または研削産業でよく使用され、年間最大数百万トンの需要があります。一部のワークの耐摩耗コーティングにはSiCコーティングも使用されます。たとえば、一部の軍艦の耐摩耗コーティングは SiC コーティングで構成されています。

(2) 熱特性: SiC の熱伝導率は 3 ～ 5 W/cm・K に達することがあり、これは従来の半導体 Si の 3 倍、GaAs の 8 倍です。SiC で作製したデバイスは発熱を素早く逃がすことができるため、SiC デバイスの放熱条件の要件が比較的緩く、高出力デバイスの作製に適しています。SiC は安定した熱力学特性を持っています。常圧条件下では、SiCは直接分解してSiとCを含む蒸気になります。.

(3) 化学的性質: SiC は安定した化学的性質、優れた耐食性を持ち、室温では既知の酸と反応しません。SiC を空気中に長時間放置すると、ゆっくりと緻密な SiO2 の薄い層が形成され、さらなる酸化反応が防止されます。温度が 1700℃以上に上昇すると、SiO2 薄層が溶けて急速に酸化します。SiC は溶融酸化剤または塩基によりゆっくりと酸化反応を起こす可能性があり、通常、SiC ウェハは溶融 KOH および Na2O2 中で腐食され、SiC 結晶の転位を特徴づけます。.

(4）電気的特性：ワイドバンドギャップ半導体の代表的な材料であるSiC、6H-SiC、4H-SiCのバンドギャップ幅はそれぞれ3.0eV、3.2eVで、Siの3倍、GaAsの2倍です。SiCで作られた半導体デバイスは、漏れ電流が小さく、破壊電界が大きいため、高出力デバイスに最適な材料と考えられています。SiC の飽和電子移動度も Si の 2 倍であり、高周波デバイスの作製においても明らかな利点があります。Ｐ型ＳｉＣ結晶またはＮ型ＳｉＣ結晶は、結晶中に不純物原子をドープすることにより得ることができる。現在、P 型 SiC 結晶には主に Al、B、Be、O、Ga、Sc などの原子がドープされており、N 型 SiC 結晶には主に N 原子がドープされています。ドーピングの濃度と種類の違いは、SiC の物理的および化学的特性に大きな影響を与えます。同時に、Vなどの深い準位ドーピングによりフリーキャリアを固定し、抵抗率を高め、半絶縁性SiC結晶を得ることができます。

(5) 光学特性: バンドギャップが比較的広いため、アンドープ SiC 結晶は無色透明です。ドープされた SiC 結晶は、その特性の違いにより異なる色を示します。たとえば、N をドープした後の 6H-SiC は緑色になります。4H-SiCは茶色です。15R-SiCは黄色です。Al をドープすると、4H-SiC は青色に見えます。色の違いを観察することでSiC結晶の種類を直感的に識別する方法です。過去 20 年間にわたる SiC 関連分野の継続的な研究により、関連技術は大きな進歩を遂げてきました。

第8、SiC開発状況のご紹介

現在、SiC産業は基板ウェーハ、エピタキシャルウェーハからデバイス製造、パッケージングに至るまでますます完璧になり、産業チェーン全体が成熟し、SiC関連製品を市場に供給できるようになりました。

Cree は、SiC 基板ウェーハのサイズと品質の両方で主導的な地位を築いている、SiC 結晶成長業界のリーダーです。Cree は現在、年間 300,000 個の SiC 基板チップを生産しており、世界出荷量の 80% 以上を占めています。

2019 年 9 月、Cree は米国ニューヨーク州に新しい施設を建設すると発表しました。この施設では、最先端技術を使用して直径 200 mm のパワーおよび RF SiC 基板ウェーハを成長させます。これは、同社の 200 mm SiC 基板材料準備技術がより成熟します。

現在、市場に流通しているSiC基板チップの主流は、2～6インチの4H-SiCおよび6H-SiC導電・半絶縁タイプです。
2015 年 10 月、Cree は N タイプおよび LED 用の 200 mm SiC 基板ウェーハを初めて発売し、8 インチ SiC 基板ウェーハの市場投入の始まりとなりました。
2016 年に、Romm は Venturi チームのスポンサーを開始し、従来の 200 kW インバーターの IGBT + Si FRD ソリューションを置き換えるために、自動車に IGBT + SiC SBD の組み合わせを初めて使用しました。改良後は、同じ出力を維持しながらインバータの重量が2kg軽量化され、サイズが19％縮小されました。

2017年にはSiC MOS + SiC SBDのさらなる採用により、重量6kg軽量化、サイズ43%縮小のみならず、インバータ出力も200kWから220kWに向上しました。
テスラが 2018 年にモデル 3 製品のメイン駆動インバーターに SIC ベースのデバイスを採用した後、実証効果は急速に拡大し、xEV 自動車市場はすぐに SiC 市場の興奮の源となりました。SiC の応用が成功したことで、関連する市場生産額も急速に増加しました。

9番目、結論：

SiC関連産業技術の継続的な改善により、その歩留まりと信頼性はさらに向上し、SiCデバイスの価格も低下し、SiCの市場競争力はより明白になるでしょう。今後、SiCデバイスは自動車、通信、電力網、交通などさまざまな分野でさらに普及し、その製品市場はさらに広がり、市場規模はさらに拡大し、国民の重要な支えとなるでしょう。経済。

投稿日時: 2024 年 1 月 25 日