Como se muestra en la Fig. 3, existen tres técnicas dominantes que tienen como objetivo proporcionar un monocristal de SiC con alta calidad y eficiencia: epitaxia en fase líquida (LPE), transporte físico de vapor (PVT) y deposición química de vapor a alta temperatura (HTCVD). PVT es un proceso bien establecido para producir monocristal de SiC, que se utiliza ampliamente en los principales fabricantes de obleas.
Sin embargo, los tres procesos están evolucionando e innovando rápidamente. Aún no es posible afirmar qué proceso se adoptará ampliamente en el futuro. En particular, en los últimos años se ha informado de monocristales de SiC de alta calidad producidos mediante crecimiento en solución a un ritmo considerable; el crecimiento en masa de SiC en la fase líquida requiere una temperatura más baja que la del proceso de sublimación o deposición, y demuestra excelencia en la producción de P. -sustratos de SiC tipo (Tabla 3) [33, 34].
Fig. 3: Esquema de tres técnicas dominantes de crecimiento de monocristales de SiC: (a) epitaxia en fase líquida; (b) transporte físico de vapor; (c) deposición química de vapor a alta temperatura
Tabla 3: Comparación de LPE, PVT y HTCVD para el cultivo de monocristales de SiC [33, 34]
El crecimiento de soluciones es una tecnología estándar para preparar semiconductores compuestos [36]. Desde la década de 1960, los investigadores han intentado desarrollar un cristal en solución [37]. Una vez desarrollada la tecnología, la sobresaturación de la superficie de crecimiento se puede controlar bien, lo que hace que el método de solución sea una tecnología prometedora para obtener lingotes monocristalinos de alta calidad.
Para el crecimiento en solución de monocristal de SiC, la fuente de Si proviene de una masa fundida de Si de alta pureza, mientras que el crisol de grafito tiene dos propósitos: calentador y fuente de soluto de C. Es más probable que los monocristales de SiC crezcan bajo la relación estequiométrica ideal cuando la relación de C y Si es cercana a 1, lo que indica una menor densidad de defectos [28]. Sin embargo, a presión atmosférica, el SiC no muestra punto de fusión y se descompone directamente a través de temperaturas de vaporización que superan los 2000 °C. Las masas fundidas de SiC, según las expectativas teóricas, sólo pueden formarse en condiciones severas, como se puede ver en el diagrama de fases binarias de Si-C (Fig. 4), que en condiciones severas de gradiente de temperatura y sistema de solución. Cuanto mayor es el C en la masa fundida de Si, varía entre 1% at. y 13% at. La sobresaturación de C que impulsa la tasa de crecimiento es más rápida, mientras que la fuerza de crecimiento de C baja es la sobresaturación de C que está dominada por una presión de 109 Pa y temperaturas superiores a 3200 °C. La sobresaturación puede producir una superficie lisa [22, 36-38]. A temperaturas entre 1.400 y 2.800 °C, la solubilidad del C en la masa fundida de Si varía del 1% al 13%. La fuerza impulsora del crecimiento es la sobresaturación de C que está dominada por el gradiente de temperatura y el sistema de solución. Cuanto mayor es la sobresaturación de C, más rápida es la tasa de crecimiento, mientras que una sobresaturación de C baja produce una superficie lisa [22, 36-38].
Fig. 4: Diagrama de fases binario Si-C [40]
Los elementos dopados de metales de transición o elementos de tierras raras no solo reducen eficazmente la temperatura de crecimiento, sino que parecen ser la única forma de mejorar drásticamente la solubilidad del carbono en la masa fundida de Si. La adición de metales del grupo de transición, como Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80], etc. o metales de tierras raras, como Ce [81], Y [82], Sc, etc. a la masa fundida de Si permite que la solubilidad del carbono supere 50% at. en un estado cercano al equilibrio termodinámico. Además, la técnica LPE es favorable para el dopaje de SiC tipo P, que se puede lograr aleando Al en el
disolvente [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Sin embargo, la incorporación de Al conduce a un aumento en la resistividad de los monocristales de SiC de tipo P [49, 56]. Aparte del crecimiento de tipo N bajo dopaje con nitrógeno,
El crecimiento de la solución generalmente ocurre en una atmósfera de gas inerte. Aunque el helio (He) es más caro que el argón, muchos estudiosos lo prefieren debido a su menor viscosidad y mayor conductividad térmica (8 veces la del argón) [85]. La tasa de migración y el contenido de Cr en 4H-SiC son similares en atmósferas de He y Ar; se ha demostrado que el crecimiento en atmósferas de Here da como resultado una tasa de crecimiento más alta que en condiciones de Ar debido a la mayor disipación de calor del recipiente de semillas [68]. Impide la formación de huecos dentro del cristal crecido y la nucleación espontánea en la solución, entonces se puede obtener una morfología de superficie suave [86].
Este artículo presentó el desarrollo, las aplicaciones y las propiedades de los dispositivos de SiC, y los tres métodos principales para cultivar monocristales de SiC. En las siguientes secciones, se revisaron las técnicas actuales de crecimiento de soluciones y los parámetros clave correspondientes. Finalmente, se propuso una perspectiva que discute los desafíos y trabajos futuros relacionados con el crecimiento masivo de monocristales de SiC mediante el método de solución.
Hora de publicación: 01-jul-2024