Como semiconductor de tercera-generación, el carburo de silicio (SiC) tiene propiedades eléctricas y térmicas superiores a las del silicio, lo que lo convierte en uno de los materiales ideales para fabricar dispositivos de alta-temperatura, alta-frecuencia, alta-potencia y alto-voltaje. SiC es un compuesto compuesto de silicio y carbono. Los átomos de silicio y los átomos de carbono forman una estructura tetraédrica. Los cristales de SiC tienen más de 200 politipos conocidos, que se forman alternando capas atómicas de silicio y capas atómicas de carbono de diferentes maneras. Los más comunes son 3C-SiC (estructura cúbica o -SiC), 4H-SiC y 6H-SiC (ambas estructuras hexagonales o -SiC).
3C-SiC
3C-SiC es el politipo de SiC más simple y tiene una estructura cúbica cerrada-. En esta estructura, los átomos de silicio y carbono están dispuestos de una manera específica en un espacio tridimensional-, formando una estructura cristalina altamente simétrica. Debido a su simetría, el 3C-SiC tiene propiedades electrónicas y ópticas relativamente pobres y actualmente se utiliza relativamente poco en aplicaciones prácticas.
4H-SiC y 6H-SiC
A diferencia del 3C-SiC, el 4H-SiC y el 6H-SiC tienen estructuras empaquetadas hexagonales-cerradas. Estos dos politipos son superiores al 3C-SiC en movilidad de electrones, conductividad térmica y banda prohibida.. 4H-SiC tiene mayor movilidad de electrones, lo que lo hace más ideal para dispositivos electrónicos de alta-frecuencia y alta-potencia. Se utiliza más ampliamente en campos como vehículos de nueva energía y comunicaciones 5G, y los fabricantes actuales de SiC producen principalmente 4H-SiC. 6H-SiC tiene una banda prohibida más grande y, por lo tanto, funciona mejor en entornos de alta-temperatura y alta-radiación.
Tecnologías de crecimiento para monocristales de SiC
En la actualidad, las principales tecnologías utilizadas para el crecimiento de cristales de SiC incluyen el transporte físico de vapor (PVT), la deposición química de vapor a alta-temperatura (HTCVD) y el crecimiento de solución-sembrada superior (TSSG). Entre ellos, PVT es actualmente el método de crecimiento de cristal único-de SiC más maduro y más utilizado en China y el extranjero.
Método de transporte físico de vapor (PVT)
El transporte físico de vapor (PVT) es un método ampliamente adoptado para el crecimiento comercial de monocristales de SiC. Fue desarrollado a partir del método Lely, que fue desarrollado por Lely en 1955 mediante un proceso de sublimación. Sin embargo, el método Lely no puede controlar eficazmente el crecimiento de un solo cristal-. En 1977, Tairov y Tsvetkov fueron los primeros en utilizar la sublimación sembrada para cultivar monocristales de SiC; Este método también se denomina "método Lely modificado" o método PVT.
En PVT, se coloca un cristal semilla en la parte superior de un crisol de grafito y polvo de SiC de alta-pureza en la parte inferior. Fuera del crisol hay una capa de aislamiento térmico; una bobina de calentamiento por inducción está fuera de la capa de aislamiento y el agua de refrigeración está dentro de la bobina. Dentro del crisol, controlando la temperatura y el gradiente de temperatura, el polvo de SiC se convierte a un estado gaseoso y se transporta al cristal semilla, donde luego se produce el crecimiento del cristal. La materia prima para PVT es polvo de SiC de alta-pureza y la temperatura de crecimiento es de 2100 a 2500 grados. En la actualidad, algunos fabricantes nacionales de SiC utilizan este método como método de producción principal. Sus desventajas son la alta temperatura de crecimiento, el alto consumo de energía y el alto costo; Los cristales crecidos tienen muchos defectos que afectan el rendimiento y la vida útil del dispositivo.
Aunque la tecnología de crecimiento PVT de SiC ya está muy madura, persisten los siguientes problemas en la producción real: En el crecimiento PVT de monocristales de SiC, se producen fácilmente transiciones politipo, lo que conduce a inclusiones policristalinas. Controlar un solo politipo durante el crecimiento de cristales de SiC es una cuestión compleja. Tomando como ejemplo los monocristales de 4H-SiC convencionales, el crecimiento estable de un solo politipo se ve afectado por muchos factores, incluida la polaridad del cristal semilla, la temperatura de crecimiento, la presión de crecimiento, la relación Si/C de la fase de vapor-y el tipo de dopaje, lo que significa que la regulación precisa del politipo de SiC se vuelve más difícil. El control preciso de la temperatura en el horno durante el crecimiento PVT de monocristales de SiC también sigue siendo un gran desafío. Además, PVT se basa en procesos de reacción y transporte de gas a altas temperaturas, lo que impone altas exigencias en cuanto al flujo de gas, la cinética de reacción, etc.
Método de deposición química de vapor a alta temperatura (HTCVD)
En el método de deposición química de vapor a alta-temperatura (HTCVD), se coloca un cristal semilla de SiC en un crisol hecho de grafito. El silano y un gas precursor que contiene carbono- como materias primas ingresan continuamente al crisol a través de un reactor de fondo. Luego, el silano piroliza directamente formando grupos de Si, que reaccionan con los hidrocarburos (CxHy) en el gas precursor que contiene carbono-para formar un monocristal de SiC debajo del cristal semilla.
En comparación con PVT, HTCVD utiliza materias primas de mayor-pureza y puede controlar con precisión la velocidad de alimentación de la materia prima, la relación C/Si y la temperatura de crecimiento durante el crecimiento, produciendo así cristales de SiC de mayor-calidad. Además, la pirólisis directa del gas portador le da a HTCVD una mayor eficiencia energética que otros métodos, y el gas portador de alta-velocidad ayuda a que los grupos obtenidos por pirólisis alcancen el cristal semilla de SiC, por lo que HTCVD hace crecer cristales de SiC más rápido que otros métodos.
HTCVD tiene ventajas como una alta calidad de cristal, una rápida tasa de crecimiento y una alimentación continua. Sin embargo, debido a que los equipos de crecimiento y los gases de alta-pureza son costosos, este método tiene altos costos de producción y su proceso de comercialización es lento. Al mismo tiempo, en HTCVD el crecimiento de monocristales de SiC, debido a que SiH4 y C3H8 deben descomponerse a alta temperatura y sufrir varias reacciones antes de que finalmente crezcan cristales en la semilla de SiC, si el gas fuente se descompone demasiado rápido, la entrada de gas se bloqueará; Si el gas fuente se descompone demasiado lentamente, el gas sin reaccionar permanecerá en la salida de gas y provocará un bloqueo. Esto hace que el equipo de crecimiento de cristal único-HTCVD SiC sea relativamente inestable. Además, la investigación actual sobre HTCVD es insuficiente, el proceso aún no está maduro y todavía se encuentra en la etapa de I+D, por lo que el crecimiento de HTCVD de monocristales de SiC no se utiliza ampliamente en la industria.
Principal-método de crecimiento de soluciones iniciales (TSSG)
En el método de crecimiento de solución sembrada superior-(TSSG), la fuente de silicio es una masa fundida de silicio y la fuente de carbono es un crisol de grafito de alta-pureza. Por debajo de 2000 grados, la solubilidad del carbono en el silicio fundido es inferior al 1%, lo que dificulta alcanzar la relación molar Si:C=1:1 necesaria para el crecimiento de los cristales de SiC. Incluso a 2800 grados, la solubilidad del carbono en silicio es sólo del 19%. Por lo tanto, en experimentos reales de crecimiento de cristales de SiC en fase líquida-, es necesario agregar algunos fundentes para aumentar la solubilidad del carbono en la solución de alta-temperatura. Los fundentes comunes incluyen Cr, Fe, Ti, etc. Durante el crecimiento del cristal, el carbono en el crisol de grafito se disuelve gradualmente en la masa fundida y se transporta a través de la masa fundida hasta el cristal semilla, lo que permite un suministro continuo de carbono. Al controlar parámetros como la velocidad de rotación de la semilla/crisol, el campo de temperatura y la frecuencia y magnitud de la corriente, se forman gradientes de temperatura, gradientes de presión y campos de flujo apropiados en la masa fundida, de modo que el carbono pueda transportarse desde la pared del crisol hasta el cristal semilla. Sin embargo, en el crecimiento real, el cristal semilla a menudo se disuelve y el material policristalino precipita en la pared del crisol y en el cristal semilla. Por lo tanto, durante todo el proceso de crecimiento de los cristales, los parámetros de crecimiento deben ajustarse para mantener todo el sistema en un equilibrio dinámico adecuado, de modo que se pueda lograr un crecimiento continuo de los cristales.
TSSG puede preparar cristales de SiC en condiciones de crecimiento más suaves. También tiene características técnicas como regulación dinámica y precisa de los parámetros del proceso, crecimiento continuo de la expansión del diámetro y dopaje uniforme de alto tipo p-. Se ha convertido en una de las tecnologías innovadoras más competitivas para sustratos de SiC de bajo-costo y alta-calidad. Aunque TSSG tiene importantes ventajas en la preparación de cristales de SiC, también tiene altas barreras técnicas, que se reflejan principalmente en los numerosos parámetros del proceso que deben regularse; cualquier elección inadecuada de un parámetro puede alterar el equilibrio dinámico durante el crecimiento de los cristales y provocar defectos macroscópicos graves.