Como se muestra en la Fig. 3, existen tres técnicas dominantes para producir monocristales de SiC de alta calidad y eficiencia: epitaxia en fase líquida (LPE), transporte físico de vapor (PVT) y deposición química en fase de vapor a alta temperatura (HTCVD). El PVT es un proceso consolidado para la producción de monocristales de SiC, ampliamente utilizado por los principales fabricantes de obleas.
Sin embargo, los tres procesos están en rápida evolución e innovación. Aún no es posible predecir cuál se adoptará ampliamente en el futuro. En particular, en los últimos años se ha reportado la producción de monocristales de SiC de alta calidad mediante crecimiento en solución a una velocidad considerable. El crecimiento masivo de SiC en fase líquida requiere una temperatura más baja que la del proceso de sublimación o deposición, y demuestra su excelencia en la producción de sustratos de SiC de tipo P (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 crecimiento de monocristales de SiC [33, 34]
El crecimiento en solución es una tecnología estándar para la preparación de 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 adecuadamente, lo que convierte al método de solución en una tecnología prometedora para la obtención de lingotes monocristalinos de alta calidad.
Para el crecimiento en solución de monocristales de SiC, la fuente de Si proviene de una masa fundida de Si altamente pura, mientras que el crisol de grafito cumple una doble función: calentador y fuente de soluto C. Los monocristales de SiC tienen mayor probabilidad de crecer 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 presenta punto de fusión y se descompone directamente por vaporización a temperaturas superiores a los 2000 °C. Las masas fundidas de SiC, según las expectativas teóricas, solo pueden formarse bajo condiciones severas, como se puede observar en el diagrama de fases binario Si-C (Fig. 4), por gradiente de temperatura y sistema en solución. Cuanto mayor sea el C en la masa fundida de Si, varía de 1% atómico a 13%. La sobresaturación de C que impulsa la sobresaturación de C, mayor será la velocidad de crecimiento, mientras que la fuerza de crecimiento de C baja es la sobresaturación de C, que está dominada por una presión de 10⁻¹ Pa y temperaturas superiores a 3200 °C. La sobresaturación puede producir una superficie lisa [22, 36-38]. A temperaturas entre 1400 y 2800 °C, la solubilidad del C en la masa fundida de Si varía entre el 1 % atómico y el 13 % atómico. El factor determinante del crecimiento es la sobresaturación de C, que está determinada por el gradiente de temperatura y el sistema de solución. Cuanto mayor sea la sobresaturación de C, mayor será la velocidad de crecimiento, mientras que una sobresaturación baja de C produce una superficie lisa [22, 36-38].
Fig. 4: Diagrama de fase binario Si-C [40]
El dopaje con elementos de metales de transición o tierras raras no solo reduce eficazmente la temperatura de crecimiento, sino que parece ser la única manera 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 el 50% atómico en un estado cercano al equilibrio termodinámico. Además, la técnica LPE es favorable para el dopaje de tipo P de SiC, que puede lograrse mediante la aleación de Al en el
disolvente [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Sin embargo, la incorporación de Al conduce a un aumento de 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. Si bien el helio (He) es más caro que el argón, muchos investigadores lo prefieren debido a su menor viscosidad y mayor conductividad térmica (8 veces mayor que 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 He resulta en una mayor tasa de crecimiento que en Ar debido a la mayor disipación de calor del soporte de la semilla [68]. El He impide la formación de huecos dentro del cristal crecido y la nucleación espontánea en la solución, lo que permite obtener una morfología superficial lisa [86].
Este artículo presentó el desarrollo, las aplicaciones y las propiedades de los dispositivos de SiC, así como los tres métodos principales para el crecimiento de monocristales de SiC. En las siguientes secciones, se revisaron las técnicas actuales de crecimiento en solución y sus parámetros clave. Finalmente, se propuso una perspectiva que aborda los desafíos y los trabajos futuros relacionados con el crecimiento en masa de monocristales de SiC mediante el método de solución.
Hora de publicación: 01-jul-2024