Como se muestra en la figura 3, existen tres técnicas predominantes para obtener monocristales de SiC de alta calidad y eficiencia: epitaxia en fase líquida (LPE), transporte físico de vapor (PVT) y deposición química 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 evolucionando e innovando rápidamente. Aún no es posible afirmar qué proceso se adoptará ampliamente en el futuro. En particular, en los últimos años se ha informado sobre 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 excelencia en la producción de sustratos de SiC de tipo P (Tabla 3) [33, 34].
Figura 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 con precisión, lo que convierte al método en solución en una tecnología prometedora para obtener lingotes monocristalinos de alta calidad.
Para el crecimiento en solución de monocristales de SiC, la fuente de Si proviene de una fusión de Si de alta pureza, mientras que el crisol de grafito cumple una doble función: calentador y fuente de soluto de C. Los monocristales de SiC tienen más probabilidades 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 fusiones 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), que se debe al gradiente de temperatura y al sistema de solución. Cuanto mayor sea la sobresaturación de C en la fusión de Si, más rápida será la velocidad de crecimiento, mientras que la sobresaturación de C baja domina a presiones de 109 Pa y temperaturas superiores a 3200 °C. La sobresaturación produce una superficie lisa [22, 36-38]. A temperaturas entre 1400 y 2800 °C, la solubilidad de C en el Si fundido varía de 1 at.% a 13 at.%. La fuerza impulsora del crecimiento es la sobresaturación de C, que está dominada por el gradiente de temperatura y el sistema de solución. Cuanto mayor sea la sobresaturación de C, más rápida será la velocidad de crecimiento, mientras que una baja sobresaturación de C produce una superficie lisa [22, 36-38].
Figura 4: Diagrama de fases binario Si-C [40]
El dopaje con elementos de metales de transición o elementos de tierras raras no solo reduce eficazmente la temperatura de crecimiento, sino que parece ser la única forma de mejorar drásticamente la solubilidad del carbono en el Si fundido. 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., al Si fundido 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 del SiC, que se puede lograr 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 en 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 se lleva a cabo en una atmósfera de gas inerte. Aunque 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 bajo atmósfera de He y Ar; se ha demostrado que el crecimiento bajo He resulta en una mayor tasa de crecimiento que el crecimiento bajo 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, por lo que se puede obtener una morfología de superficie 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 secciones siguientes, se revisaron las técnicas actuales de crecimiento en solución y sus parámetros clave. Finalmente, se propuso una perspectiva que analizaba los desafíos y los trabajos futuros relacionados con el crecimiento a granel de monocristales de SiC mediante el método de solución.
Fecha de publicación: 1 de julio de 2024