Crecimiento de monocristales de carburo de silicio (SiC)

Desde su descubrimiento, el carburo de silicio ha atraído una gran atención. El carburo de silicio está compuesto por la mitad de átomos de Si y la mitad de átomos de C, que se conectan mediante enlaces covalentes a través de pares de electrones que comparten orbitales híbridos sp3. En la unidad estructural básica de su monocristal, cuatro átomos de Si se disponen en una estructura tetraédrica regular, y el átomo de C se encuentra en el centro del tetraedro regular. A la inversa, el átomo de Si también puede considerarse el centro del tetraedro, formando así la estructura tetraédrica SiC4 o CSi4. El enlace covalente en SiC es altamente iónico, y la energía del enlace silicio-carbono es muy alta, alrededor de 4,47 eV. Debido a la baja energía de falla de apilamiento, los cristales de carburo de silicio forman fácilmente varios politipos durante el proceso de crecimiento. Hay más de 200 politipos conocidos, que se pueden dividir en tres categorías principales: cúbico, hexagonal y trigonal.

Actualmente, los principales métodos de crecimiento de cristales de SiC incluyen el método de transporte físico de vapor (método PVT), la deposición química de vapor a alta temperatura (método HTCVD), el método de fase líquida, etc. Entre ellos, el método PVT es el más maduro y el más adecuado para la producción industrial en masa.

El método PVT consiste en colocar cristales semilla de SiC en la parte superior del crisol y polvo de SiC como materia prima en la parte inferior. En un entorno cerrado de alta temperatura y baja presión, el polvo de SiC se sublima y asciende debido al gradiente de temperatura y la diferencia de concentración. Este método permite transportarlo hasta las proximidades del cristal semilla y, posteriormente, recristalizarlo tras alcanzar un estado de sobresaturación. De esta forma, se logra un crecimiento controlado del tamaño y la morfología de los cristales de SiC.
Sin embargo, el método PVT para el crecimiento de cristales de SiC requiere mantener condiciones de crecimiento adecuadas durante todo el proceso, ya que de lo contrario se producirá un desorden en la red cristalina, afectando así la calidad del cristal. Además, el crecimiento de los cristales de SiC se realiza en un espacio cerrado. Existen pocos métodos de monitorización eficaces y muchas variables, lo que dificulta el control del proceso.

En el proceso de crecimiento de cristales de SiC mediante el método PVT, el modo de crecimiento por flujo escalonado (Step Flow Growth) se considera el mecanismo principal para el crecimiento estable de una forma monocristalina.
Los átomos de Si y C vaporizados se unirán preferentemente a los átomos de la superficie del cristal en el punto de inflexión, donde se nuclean y crecen, provocando que cada escalón avance en paralelo. Cuando el ancho del escalón en la superficie del cristal supera con creces el camino libre de difusión de los adátomos, un gran número de adátomos puede aglomerarse, y el modo de crecimiento bidimensional en forma de isla que se forma destruirá el modo de crecimiento por flujo de escalones, lo que resultará en la pérdida de información de la estructura cristalina 4H y en la aparición de múltiples defectos. Por lo tanto, el ajuste de los parámetros del proceso debe lograr el control de la estructura del escalón superficial, suprimiendo así la generación de defectos polimórficos, logrando el objetivo de obtener una forma de monocristal y, en última instancia, preparar cristales de alta calidad.

Como el método de crecimiento de cristales de SiC desarrollado más tempranamente, el método de transporte físico de vapor es actualmente el método de crecimiento más utilizado para el crecimiento de cristales de SiC. En comparación con otros métodos, este método requiere menos equipos de crecimiento, tiene un proceso de crecimiento simple, es altamente controlable, cuenta con una investigación de desarrollo relativamente exhaustiva y ya ha alcanzado aplicaciones industriales. La ventaja del método HTCVD es que puede cultivar obleas conductoras (n, p) y semi-aislantes de alta pureza, y puede controlar la concentración de dopaje de modo que la concentración de portadores en la oblea sea ajustable entre 3×10¹³ y 5×10¹⁹/cm³. Las desventajas son el alto umbral técnico y la baja cuota de mercado. A medida que la tecnología de crecimiento de cristales de SiC en fase líquida continúa madurando, mostrará un gran potencial para el avance de toda la industria del SiC en el futuro y probablemente represente un nuevo punto de inflexión en el crecimiento de cristales de SiC.