Como se mostra na figura 3, hai tres técnicas dominantes que teñen como obxectivo proporcionar un único cristal de SiC cunha alta calidade e eficiencia: epitaxia en fase líquida (LPE), transporte físico de vapor (PVT) e deposición química de vapor a alta temperatura (HTCVD). PVT é un proceso ben establecido para producir monocristais SiC, que é amplamente utilizado nos principais fabricantes de obleas.
Non obstante, os tres procesos están evolucionando e innovando rapidamente. Aínda non é posible determinar que proceso será amplamente adoptado no futuro. En particular, nos últimos anos informouse de un único cristal de SiC de alta calidade producido polo crecemento da solución a un ritmo considerable, o crecemento masivo de SiC na fase líquida require unha temperatura máis baixa que a do proceso de sublimación ou deposición e demostra a excelencia na produción de P. -sustratos de SiC tipo (táboa 3) [33, 34].
Figura 3: Esquema de tres técnicas de crecemento de cristal único de SiC dominantes: (a) epitaxia en fase líquida; (b) transporte físico de vapor; (c) Deposición química de vapor a alta temperatura
Táboa 3: Comparación de LPE, PVT e HTCVD para o cultivo de monocristais de SiC [33, 34]
O crecemento en solución é unha tecnoloxía estándar para preparar semicondutores compostos [36]. Desde a década de 1960, os investigadores intentaron desenvolver un cristal en solución [37]. Unha vez que se desenvolve a tecnoloxía, pódese controlar ben a sobresaturación da superficie de crecemento, o que fai do método de solución unha tecnoloxía prometedora para a obtención de lingotes monocristais de alta calidade.
Para o crecemento da solución de cristal único de SiC, a fonte de Si procede da fusión de Si de alta pureza, mentres que o crisol de grafito ten un dobre propósito: aquecedor e fonte de soluto C. Os cristais sinxelos de SiC teñen máis probabilidades de crecer baixo a relación estequiométrica ideal cando a relación de C e Si é próxima a 1, o que indica unha menor densidade de defectos [28]. Non obstante, a presión atmosférica, o SiC non mostra punto de fusión e descomponse directamente a través de temperaturas de vaporización que superan os 2.000 °C. SiC funde, segundo as expectativas teóricas, só pode ser formado baixo severa verse a partir do diagrama de fases binarias Si-C (Fig. 4) que por gradiente de temperatura e sistema de solución. Canto maior sexa o C no fundido de Si varía de 1at.% a 13at.%. A sobresaturación C impulsora, máis rápida é a taxa de crecemento, mentres que a baixa forza C do crecemento é a sobresaturación C que domina a presión de 109 Pa e temperaturas superiores a 3.200 °C. A supersaturación pode producir unha superficie lisa [22, 36-38].temperaturas entre 1.400 e 2.800 °C, a solubilidade do C no fundido de Si varía de 1at.% a 13at.%. A forza impulsora do crecemento é a sobresaturación de C que está dominada polo gradiente de temperatura e o sistema de solución. Canto maior sexa a sobresaturación de C, máis rápida será a taxa de crecemento, mentres que a baixa sobresaturación de C produce unha superficie lisa [22, 36-38].
Fig. 4: Diagrama de fase binario Si-C [40]
Dopando elementos de metais de transición ou elementos de terras raras non só reducen efectivamente a temperatura de crecemento, senón que parece ser o único xeito de mellorar drasticamente a solubilidade do carbono na fusión de Si. A adición de metais de grupos de transición, como Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80], etc. ou metais de terras raras, como Ce [81], Y [82], Sc, etc. á fusión de Si permite que a solubilidade do carbono superar o 50at.% nun estado próximo ao equilibrio termodinámico. Ademais, a técnica LPE é favorable para o dopado tipo P de SiC, que se pode conseguir aliando Al no
disolvente [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Porén, a incorporación de Al leva a un aumento da resistividade dos monocristais de SiC de tipo P [49, 56]. Ademais do crecemento de tipo N baixo dopaxe con nitróxeno,
O crecemento da solución prodúcese xeralmente nunha atmosfera de gas inerte. Aínda que o helio (He) é máis caro que o argón, é favorecido por moitos estudosos debido á súa menor viscosidade e maior condutividade térmica (8 veces o argón) [85]. A taxa de migración e o contido de Cr en 4H-SiC son similares na atmosfera de He e Ar, está demostrado que o crecemento baixo Here resulta nunha taxa de crecemento máis alta que o crecemento baixo Ar debido á maior disipación de calor do soporte da semente [68]. El impide a formación de baleiros no interior do cristal cultivado e a nucleación espontánea na solución, entón pódese obter unha morfoloxía de superficie lisa [86].
Este artigo presentou o desenvolvemento, as aplicacións e as propiedades dos dispositivos de SiC, e os tres métodos principais para o cultivo de monocristais de SiC. Nas seguintes seccións, revisáronse as técnicas actuais de crecemento da solución e os correspondentes parámetros clave. Finalmente, propúxose unha perspectiva que discutiu os retos e os traballos futuros relativos ao crecemento masivo de monocristais de SiC mediante o método de solución.
Hora de publicación: 01-07-2024