Come mostrato in Figura 3, esistono tre tecniche dominanti che mirano a fornire monocristalli di SiC di elevata qualità ed efficienza: l'epitassia in fase liquida (LPE), il trasporto fisico da vapore (PVT) e la deposizione chimica da 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 prevedere quale processo sarà ampiamente adottato in futuro. In particolare, negli ultimi anni è stato segnalato un monocristallo di SiC di alta qualità prodotto mediante crescita in soluzione a un ritmo considerevole. La crescita massiva di SiC in fase liquida richiede una temperatura inferiore a quella del processo di sublimazione o deposizione e dimostra l'eccellenza nella produzione di substrati di SiC di tipo P (Tabella 3) [33, 34].
Fig. 3: Schema di tre tecniche dominanti di crescita di monocristalli di SiC: (a) epitassia in fase liquida; (b) trasporto fisico di vapore; (c) deposizione chimica da 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 di soluzione una tecnologia promettente per ottenere lingotti monocristallini di alta qualità.
Per la crescita in soluzione di monocristalli di SiC, la sorgente di Si deriva da una fusione di Si altamente pura, mentre il crogiolo di grafite ha una duplice funzione: riscaldatore e fonte di soluto di 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, il che indica una minore densità di difetti [28]. Tuttavia, a pressione atmosferica, il SiC non mostra alcun punto di fusione e si decompone direttamente per vaporizzazione a temperature superiori a circa 2.000 °C. Le fusioni di SiC, secondo le aspettative teoriche, possono essere formate solo in condizioni severe, come si può osservare dal diagramma di fase binario Si-C (Fig. 4) per gradiente di temperatura e sistema di soluzione. Maggiore è il C nella fusione di Si, che varia da 1 at.% a 13 at.%. La sovrasaturazione di C determinante, maggiore è la velocità di crescita, mentre la bassa forza di C della crescita è la sovrasaturazione di C che è dominata da una pressione di 109 Pa e temperature superiori a 3.200 °C. La sovrasaturazione di C produce una superficie liscia [22, 36-38]. A temperature comprese tra 1.400 e 2.800 °C, la solubilità del C nella massa fusa di Si varia dall'1% al 13% in atm. La forza trainante 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, maggiore 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 di elementi metallici di transizione o di terre rare non solo riduce efficacemente la temperatura di crescita, ma sembra essere l'unico modo per migliorare drasticamente la solubilità del carbonio nella fusione 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 di terre rare, come Ce [81], Y [82], Sc, ecc. alla fusione di Si consente alla solubilità del carbonio di superare il 50% at in uno stato prossimo 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 generalmente avviene in un'atmosfera di gas inerte. Sebbene l'elio (He) sia più costoso dell'argon, è preferito da molti studiosi per la sua minore viscosità e la maggiore conduttività termica (8 volte superiore a quella dell'argon) [85]. La velocità 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 una velocità di crescita maggiore rispetto alla crescita in Ar a causa della maggiore dissipazione del calore del portasemi [68]. He impedisce la formazione di vuoti all'interno del cristallo cresciuto e la nucleazione spontanea in soluzione, quindi si può ottenere una morfologia superficiale liscia [86].
Questo articolo ha introdotto lo sviluppo, le applicazioni e le proprietà dei dispositivi in SiC, nonché i tre metodi principali per la crescita di monocristalli di SiC. Nelle sezioni seguenti, sono state esaminate le attuali tecniche di crescita in soluzione e i relativi parametri chiave. Infine, è stata proposta una prospettiva che ha discusso le sfide e i lavori futuri riguardanti la crescita massiva di monocristalli di SiC tramite il metodo in soluzione.
Data di pubblicazione: 01-07-2024