Com es mostra a la figura 3, hi ha tres tècniques dominants que tenen com a objectiu proporcionar monocristalls de SiC d'alta qualitat i eficiència: l'epitàxia en fase líquida (LPE), el transport físic de vapor (PVT) i la deposició química de vapor a alta temperatura (HTCVD). La PVT és un procés ben establert per produir monocristalls de SiC, que s'utilitza àmpliament en els principals fabricants d'oblies.
Tanmateix, els tres processos estan evolucionant i innovant ràpidament. Encara no és possible determinar quin procés s'adoptarà àmpliament en el futur. En particular, en els darrers anys s'han descrit monocristalls de SiC d'alta qualitat produïts per creixement en solució a un ritme considerable, el creixement massiu de SiC en fase líquida requereix una temperatura més baixa que la del procés de sublimació o deposició, i demostra excel·lència en la producció de substrats de SiC de tipus P (Taula 3) [33, 34].
Fig. 3: Esquema de tres tècniques dominants de creixement de monocristalls de SiC: (a) epitaxia en fase líquida; (b) transport físic de vapor; (c) deposició química de vapor a alta temperatura
Taula 3: Comparació de LPE, PVT i HTCVD per al creixement de monocristalls de SiC [33, 34]
El creixement en solució és una tecnologia estàndard per a la preparació de semiconductors compostos [36]. Des de la dècada del 1960, els investigadors han intentat desenvolupar un cristall en solució [37]. Un cop desenvolupada la tecnologia, la sobresaturació de la superfície de creixement es pot controlar bé, cosa que converteix el mètode de solució en una tecnologia prometedora per obtenir lingots de monocristall d'alta qualitat.
Per al creixement en solució de monocristalls de SiC, la font de Si prové d'una fosa de Si altament pura, mentre que el gresol de grafit serveix per a un doble propòsit: escalfador i font de solut de C. Els monocristalls de SiC tenen més probabilitats de créixer sota la relació estequiomètrica ideal quan la relació de C i Si és propera a 1, cosa que indica una densitat de defectes més baixa [28]. Tanmateix, a pressió atmosfèrica, el SiC no mostra cap punt de fusió i es descompon directament mitjançant vaporització a temperatures superiors a 2.000 °C. Les foses de SiC, segons les expectatives teòriques, només es poden formar sota temperatures severes, tal com es pot veure en el diagrama de fases binàries Si-C (Fig. 4), que a gradient de temperatura i sistema de solució. Com més alta sigui la C a la fosa de Si varia de l'1% a l'13% at. La sobresaturació de C impulsora, més ràpida serà la taxa de creixement, mentre que la baixa força de C del creixement és la sobresaturació de C que està dominada per una pressió de 109 Pa i temperatures superiors a 3.200 °C. La sobresaturació produeix una superfície llisa [22, 36-38]. A temperatures d'entre 1.400 i 2.800 °C, la solubilitat del C en la fosa de Si varia de l'1% al 13% atmosfèric. La força impulsora del creixement és la sobresaturació de C, que està dominada pel gradient de temperatura i el sistema de solucions. Com més alta sigui la sobresaturació de C, més ràpida serà la taxa de creixement, mentre que una baixa sobresaturació de C produeix una superfície llisa [22, 36-38].
Fig. 4: Diagrama de fases binàries de Si-C [40]
El dopatge d'elements metàl·lics de transició o elements de terres rares no només redueix eficaçment la temperatura de creixement, sinó que sembla ser l'única manera de millorar dràsticament la solubilitat del carboni en la fosa de Si. L'addició de metalls del grup de transició, com ara Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80], etc. o metalls de terres rares, com ara Ce [81], Y [82], Sc, etc. a la fosa de Si permet que la solubilitat del carboni superi el 50% at. en un estat proper a l'equilibri termodinàmic. A més, la tècnica LPE és favorable per al dopatge de tipus P de SiC, que es pot aconseguir aliant Al en el
dissolvent [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Tanmateix, la incorporació d'Al condueix a un augment de la resistivitat dels monocristalls de SiC de tipus P [49, 56]. A part del creixement de tipus N sota dopatge amb nitrogen,
El creixement en solució generalment es produeix en una atmosfera de gas inert. Tot i que l'heli (He) és més car que l'argó, molts estudiosos el prefereixen a causa de la seva menor viscositat i la seva major conductivitat tèrmica (8 vegades superior a l'argó) [85]. La taxa de migració i el contingut de Cr en 4H-SiC són similars sota l'atmosfera d'He i Ar, i s'ha demostrat que el creixement sota He resulta en una taxa de creixement més alta que el creixement sota Ar a causa de la major dissipació de calor del contenidor de llavors [68]. He impedeix la formació de buits dins del cristall crescut i la nucleació espontània a la solució, de manera que es pot obtenir una morfologia superficial llisa [86].
Aquest article va introduir el desenvolupament, les aplicacions i les propietats dels dispositius de SiC, i els tres mètodes principals per al creixement de monocristalls de SiC. A les seccions següents, es van revisar les tècniques actuals de creixement en solució i els paràmetres clau corresponents. Finalment, es va proposar una perspectiva que discutia els reptes i els treballs futurs pel que fa al creixement massiu de monocristalls de SiC mitjançant el mètode de solució.
Data de publicació: 01-07-2024