Come illustrato nella Figura 3, esistono tre tecniche principali volte a fornire monocristalli di SiC di alta qualità ed efficienza: epitassia in fase liquida (LPE), trasporto fisico in fase vapore (PVT) e deposizione chimica da fase vapore ad alta temperatura (HTCVD). Il PVT è un processo consolidato per la produzione di monocristalli di SiC, ampiamente utilizzato dai principali produttori di wafer.
Tuttavia, tutti e tre i processi sono in rapida evoluzione e innovazione. Non è ancora possibile affermare quale processo sarà ampiamente adottato in futuro. In particolare, negli ultimi anni è stata segnalata la produzione di monocristalli di SiC di alta qualità mediante crescita in soluzione a una velocità considerevole, la crescita massiva di SiC in fase liquida richiede una temperatura inferiore rispetto a quella del processo di sublimazione o deposizione e dimostra eccellenza nella produzione di substrati di SiC di tipo P (Tabella 3) [33, 34].
Figura 3: Schema di tre tecniche dominanti per la crescita di monocristalli di SiC: (a) epitassia in fase liquida; (b) trasporto fisico in fase vapore; (c) deposizione chimica da fase vapore ad alta temperatura
Tabella 3: Confronto tra LPE, PVT e HTCVD per la crescita di monocristalli di SiC [33, 34]
La crescita in soluzione è una tecnologia standard per la preparazione di semiconduttori composti [36]. Dagli anni '60, i ricercatori hanno tentato di sviluppare un cristallo in soluzione [37]. Una volta sviluppata la tecnologia, la sovrasaturazione della superficie di crescita può essere ben controllata, il che rende il metodo in soluzione una tecnologia promettente per ottenere lingotti monocristallini di alta qualità.
Per la crescita in soluzione di monocristalli di SiC, la sorgente di Si proviene da una fusione di Si altamente pura, mentre il crogiolo di grafite ha una duplice funzione: riscaldatore e sorgente di soluto C. I monocristalli di SiC hanno maggiori probabilità di crescere con il rapporto stechiometrico ideale quando il rapporto tra C e Si è vicino a 1, indicando una minore densità di difetti [28]. Tuttavia, a pressione atmosferica, il SiC non presenta un punto di fusione e si decompone direttamente per vaporizzazione a temperature superiori a circa 2.000 °C. I fusi di SiC, secondo le aspettative teoriche, possono essere formati solo in condizioni severe, come si può vedere dal diagramma di fase binario Si-C (Fig. 4), che varia dall'1% al 13%. La sovrasaturazione di C che guida la crescita è la sovrasaturazione di C che è dominata da una pressione di 109 Pa e temperature superiori a 3.200 °C. Può la sovrasaturazione produrre una superficie liscia [22, 36-38]. A temperature comprese tra 1.400 e 2.800 °C, la solubilità del C nel fuso di Si varia dall'1% al 13%. La forza motrice della crescita è la sovrasaturazione di C che è dominata dal gradiente di temperatura e dal sistema di soluzione. Maggiore è la sovrasaturazione di C, più veloce è la velocità di crescita, mentre una bassa sovrasaturazione di C produce una superficie liscia [22, 36-38].
Fig. 4: Diagramma di fase binario Si-C [40]
Il drogaggio con elementi di metalli di transizione o elementi delle terre rare non solo abbassa efficacemente la temperatura di crescita, ma sembra essere l'unico modo per migliorare drasticamente la solubilità del carbonio nel fuso di Si. L'aggiunta di metalli del gruppo di transizione, come Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80], ecc. o metalli delle terre rare, come Ce [81], Y [82], Sc, ecc. al fuso di Si consente alla solubilità del carbonio di superare il 50 at.% in uno stato vicino all'equilibrio termodinamico. Inoltre, la tecnica LPE è favorevole per il drogaggio di tipo P del SiC, che può essere ottenuto legando Al nel
solvente [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Tuttavia, l'incorporazione di Al porta ad un aumento della resistività dei monocristalli di SiC di tipo P [49, 56]. Oltre alla crescita di tipo N sotto drogaggio con azoto,
La crescita della soluzione avviene generalmente in atmosfera di gas inerte. Sebbene l'elio (He) sia più costoso dell'argon, è preferito da molti studiosi per la sua minore viscosità e maggiore conduttività termica (8 volte quella dell'argon) [85]. Il tasso di migrazione e il contenuto di Cr nel 4H-SiC sono simili in atmosfera di He e Ar, è dimostrato che la crescita in He si traduce in un tasso di crescita maggiore rispetto alla crescita in Ar a causa della maggiore dissipazione di calore del portatore del seme [68]. L'He impedisce la formazione di vuoti all'interno del cristallo cresciuto e la nucleazione spontanea nella soluzione, quindi è possibile ottenere una morfologia superficiale liscia [86].
Questo articolo ha introdotto lo sviluppo, le applicazioni e le proprietà dei dispositivi in SiC, nonché i tre principali metodi per la crescita di monocristalli di SiC. Nelle sezioni successive, sono state esaminate le attuali tecniche di crescita in soluzione e i relativi parametri chiave. Infine, è stata proposta una prospettiva che discute le sfide e i lavori futuri riguardanti la crescita massiva di monocristalli di SiC tramite metodo in soluzione.
Data di pubblicazione: 1 luglio 2024