Como mostrado na Fig. 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, sendo amplamente utilizado pelos principais fabricantes de wafers.
No entanto, todos os três processos estão evoluindo e inovando rapidamente. Ainda não é possível afirmar qual processo será amplamente adotado no futuro. Particularmente, cristais únicos de SiC de alta qualidade produzidos por crescimento em solução a uma taxa considerável foram 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].
Figura 3: Esquema de três técnicas dominantes de crescimento de monocristais 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 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, os 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 de solução uma tecnologia promissora para a obtenção de lingotes monocristalinos de alta qualidade.
Para o crescimento de monocristais de SiC em solução, a fonte de Si provém de um fundido de Si de alta pureza, enquanto o cadinho de grafite tem dupla função: aquecedor e fonte de soluto de C. Os monocristais de SiC têm maior probabilidade de crescer sob a proporção estequiométrica ideal quando a razão entre 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 superiores a cerca de 2.000 °C. Fundidos de SiC, de acordo com as expectativas teóricas, só podem ser formados sob condições severas de gradiente de temperatura e sistema de solução. Quanto maior a supersaturação de C no fundido de Si, mais rápida será a taxa de crescimento, enquanto uma baixa concentração de C domina o crescimento. Isso pode ser observado no diagrama de fases binário Si-C (Fig. 4), que varia de 1 at.% a 13 at.%. A força motriz do crescimento é a supersaturação de C, que é dominada por uma 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 de C na fusão de Si varia de 1% 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 a taxa de crescimento, enquanto uma baixa supersaturação de C produz uma superfície lisa [22, 36-38].
Figura 4: Diagrama de fase binário Si-C [40]
A dopagem com elementos de metais de transição ou elementos de terras raras não só reduz eficazmente a temperatura de crescimento, como parece ser a única forma de melhorar drasticamente a solubilidade do carbono no silício fundido. A adição de metais 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 de metais de terras raras, como Ce [81], Y [82], Sc, etc., ao silício fundido permite que a solubilidade do carbono exceda 50% atômicos num estado próximo do equilíbrio termodinâmico. Além disso, a técnica LPE é favorável à dopagem do tipo P em SiC, que pode ser obtida pela adição de Al à liga.
solvente [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. No entanto, a incorporação de Al leva a um aumento na resistividade de monocristais de SiC do tipo P [49, 56]. Além do crescimento do tipo N sob dopagem com 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 pesquisadores 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 no 4H-SiC são semelhantes sob atmosferas de He e Ar, e comprovou-se que o crescimento sob He resulta em uma taxa de crescimento maior do que o crescimento 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, resultando em uma morfologia de superfície lisa [86].
Este artigo apresentou o desenvolvimento, as aplicações e as propriedades de dispositivos de SiC, bem como os três principais métodos de crescimento de monocristais de SiC. Nas seções seguintes, as técnicas atuais de crescimento em solução e seus respectivos parâmetros-chave foram revisados. Por fim, foi apresentada uma perspectiva que discute os desafios e os trabalhos futuros relacionados ao crescimento em massa de monocristais de SiC pelo método de solução.
Data da publicação: 01/07/2024