3, existem três técnicas dominantes que visam fornecer cristal único de SiC com alta qualidade e eficiência: epitaxia em fase líquida (LPE), transporte físico de vapor (PVT) e deposição química de vapor em alta temperatura (HTCVD). PVT é um processo bem estabelecido para a produção de cristal único de SiC, amplamente utilizado nos principais fabricantes de wafers.
No entanto, todos os três processos estão evoluindo e inovando rapidamente. Ainda não é possível afirmar qual processo será amplamente adotado no futuro. Particularmente, o cristal único de SiC de alta qualidade produzido pelo crescimento da solução a uma taxa considerável foi relatado nos últimos anos, o crescimento em massa de SiC na fase líquida requer uma temperatura mais baixa do que a do processo de sublimação ou deposição, e demonstra excelência na produção de P substratos de SiC do tipo (Tabela 3) [33, 34].
Fig. 3: Esquema de três técnicas dominantes de crescimento de cristal único de SiC: (a) epitaxia em fase líquida; (b) transporte físico de vapor; (c) deposição de vapor químico em alta temperatura
Tabela 3: Comparação de LPE, PVT e HTCVD para cultivo de monocristais de SiC [33, 34]
O crescimento da solução é uma tecnologia padrão para a preparação de semicondutores compostos [36]. Desde a década de 1960, pesquisadores têm tentado desenvolver um cristal em solução [37]. Uma vez desenvolvida a tecnologia, a supersaturação da superfície de crescimento pode ser bem controlada, o que torna o método de solução uma tecnologia promissora para a obtenção de lingotes de monocristalino de alta qualidade.
Para o crescimento da solução de cristal único de SiC, a fonte de Si provém de Si fundido altamente puro, enquanto o cadinho de grafite serve a dois propósitos: aquecedor e fonte de soluto C. Os monocristais de SiC têm maior probabilidade de crescer sob a proporção estequiométrica ideal quando a proporção de C e Si está próxima de 1, indicando uma menor densidade de defeitos [28]. No entanto, à pressão atmosférica, o SiC não apresenta ponto de fusão e decompõe-se diretamente através de temperaturas de vaporização superiores a cerca de 2.000 °C. Os derretimentos de SiC, de acordo com as expectativas teóricas, só podem ser formados sob condições severas, como pode ser visto no diagrama de fase binária Si-C (Fig. 4) por gradiente de temperatura e sistema de solução. Quanto maior o C no fundido de Si varia de 1at.% a 13at.%. A supersaturação de C impulsionadora, mais rápida a taxa de crescimento, enquanto a baixa força de crescimento de C é a supersaturação de C que é dominada pela pressão de 109 Pa e temperaturas acima de 3.200 ° C. A supersaturação pode produzir uma superfície lisa [22, 36-38]. Em temperaturas entre 1.400 e 2.800 °C, a solubilidade do C no fundido de Si varia de 1at.% a 13at.%. A força motriz do crescimento é a supersaturação de C que é dominada pelo gradiente de temperatura e pelo sistema de solução. Quanto maior a supersaturação de C, mais rápida será a taxa de crescimento, enquanto a baixa supersaturação de C produz uma superfície lisa [22, 36-38].
Fig. 4: Diagrama de fase binária Si-C [40]
A dopagem de elementos de metais de transição ou de terras raras não apenas reduz efetivamente a temperatura de crescimento, mas parece ser a única maneira de melhorar drasticamente a solubilidade do carbono no Si fundido. A adição de metais do grupo de transição, 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. ao fundido de Si permite que a solubilidade do carbono exceda 50% em um estado próximo ao equilíbrio termodinâmico. Além disso, a técnica LPE é favorável para a dopagem do tipo P de SiC, o que pode ser conseguido ligando Al no
solvente [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. No entanto, a incorporação de Al leva a um aumento na resistividade dos monocristais de SiC tipo P [49, 56]. Além do crescimento do tipo N sob dopagem com nitrogênio,
o crescimento da solução geralmente ocorre em uma atmosfera de gás inerte. Embora o hélio (He) seja mais caro que o argônio, ele é preferido por muitos estudiosos devido à sua menor viscosidade e maior condutividade térmica (8 vezes o do argônio) [85]. A taxa de migração e o conteúdo de Cr em 4H-SiC são semelhantes sob atmosfera de He e Ar, está provado que o crescimento sob Here resulta em uma taxa de crescimento mais alta do que o crescimento sob Ar devido à maior dissipação de calor do porta-sementes [68]. Ele impede a formação de vazios dentro do cristal crescido e a nucleação espontânea na solução, então, uma morfologia de superfície lisa pode ser obtida [86].
Este artigo apresentou o desenvolvimento, as aplicações e as propriedades dos dispositivos de SiC e os três métodos principais para o cultivo de cristal único de SiC. Nas seções seguintes, as técnicas atuais de crescimento da solução e os parâmetros-chave correspondentes foram revisados. Por fim, foi proposta uma perspectiva que discutiu os desafios e trabalhos futuros relativos ao crescimento em massa de monocristais de SiC via método de solução.
Horário da postagem: 01/07/2024