Conforme mostrado na Figura 3, existem três técnicas dominantes que visam fornecer monocristais de SiC com alta qualidade e eficiência: epitaxia em fase líquida (LPE), transporte físico de vapor (PVT) e deposição química de vapor em alta temperatura (HTCVD). O PVT é um processo bem estabelecido para a produção de monocristais de SiC, amplamente utilizado pelos principais fabricantes de wafers.
No entanto, todos os três processos estão evoluindo e inovando rapidamente. Ainda não é possível prever qual processo será amplamente adotado no futuro. Em particular, monocristais de SiC de alta qualidade produzidos por crescimento em solução a uma taxa considerável têm sido relatados nos últimos anos. O crescimento em massa de SiC na fase líquida requer uma temperatura mais baixa do que a do processo de sublimação ou deposição e demonstra excelência na produção de substratos de SiC do tipo P (Tabela 3) [33, 34].
Fig. 3: Esquema de três técnicas dominantes de crescimento de cristais únicos de SiC: (a) epitaxia em fase líquida; (b) transporte físico de vapor; (c) deposição química de vapor em alta temperatura
Tabela 3: Comparação de LPE, PVT e HTCVD para o crescimento de monocristais de SiC [33, 34]
O crescimento em solução é uma tecnologia padrão para a preparação de semicondutores compostos [36]. Desde a década de 1960, pesquisadores têm tentado desenvolver um cristal em solução [37]. Uma vez desenvolvida a tecnologia, a supersaturação da superfície de crescimento pode ser bem controlada, o que torna o método da solução uma tecnologia promissora para a obtenção de lingotes monocristais de alta qualidade.
Para o crescimento em solução de um único cristal de SiC, a fonte de Si provém de uma fusão de Si altamente pura, enquanto o cadinho de grafite serve a dois propósitos: aquecedor e fonte de soluto de C. Os monocristais de SiC têm maior probabilidade de crescer sob a razão estequiométrica ideal quando a razão de C e Si é próxima de 1, indicando uma menor densidade de defeitos [28]. No entanto, à pressão atmosférica, o SiC não apresenta ponto de fusão e se decompõe diretamente por vaporização a temperaturas que excedem cerca de 2.000 °C. As fusões de SiC, de acordo com as expectativas teóricas, só podem ser formadas sob condições severas, como pode ser visto no diagrama de fases binárias Si-C (Fig. 4), devido ao gradiente de temperatura e ao sistema de solução. Quanto maior o C na fusão de Si, varia de 1% at. a 13%. A supersaturação de C impulsionadora, mais rápida é a taxa de crescimento, enquanto a baixa força de C do crescimento é a supersaturação de C que é dominada pela pressão de 109 Pa e temperaturas acima de 3.200 °C. A supersaturação pode produzir uma superfície lisa [22, 36-38]. Em temperaturas entre 1.400 e 2.800 °C, a solubilidade do C na fusão de Si varia de 1% at. a 13%. A força motriz do crescimento é a supersaturação de C, que é dominada pelo gradiente de temperatura e pelo sistema de solução. Quanto maior a supersaturação de C, mais rápida é a taxa de crescimento, enquanto uma baixa supersaturação de C produz uma superfície lisa [22, 36-38].
Fig. 4: Diagrama de fase binária Si-C [40]
A dopagem com elementos de metais de transição ou elementos de terras raras não apenas reduz efetivamente a temperatura de crescimento, como também parece ser a única maneira de melhorar drasticamente a solubilidade do carbono na fusão de Si. A adição de metais do grupo de transição, como Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80], etc., ou metais de terras raras, como Ce [81], Y [82], Sc, etc., à fusão de Si permite que a solubilidade do carbono exceda 50 at.% em um estado próximo ao equilíbrio termodinâmico. Além disso, a técnica LPE é favorável à dopagem do tipo P de SiC, que pode ser obtida pela adição de Al ao
solvente [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. No entanto, a incorporação de Al leva a um aumento na resistividade dos monocristais de SiC do tipo P [49, 56]. Além do crescimento do tipo N sob dopagem de nitrogênio,
O crescimento em solução geralmente ocorre em uma atmosfera de gás inerte. Embora o hélio (He) seja mais caro que o argônio, ele é preferido por muitos estudiosos devido à sua menor viscosidade e maior condutividade térmica (8 vezes maior que a do argônio) [85]. A taxa de migração e o teor de Cr em 4H-SiC são semelhantes em atmosferas de He e Ar. Está comprovado que o crescimento sob He resulta em uma taxa de crescimento maior do que sob Ar devido à maior dissipação de calor do porta-sementes [68]. O He impede a formação de vazios dentro do cristal crescido e a nucleação espontânea na solução, obtendo-se, assim, uma morfologia de superfície lisa [86].
Este artigo apresentou o desenvolvimento, as aplicações e as propriedades dos dispositivos de SiC, bem como os três principais métodos para o crescimento de monocristais de SiC. Nas seções seguintes, foram revisadas as técnicas atuais de crescimento em solução e os parâmetros-chave correspondentes. Por fim, foi proposta uma perspectiva que discutiu os desafios e os trabalhos futuros relacionados ao crescimento em massa de monocristais de SiC pelo método de solução.
Horário da postagem: 01/07/2024