El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor compuesto de banda prohibida-amplia con propiedades físicas y químicas únicas. Los enlaces químicos C-Si y la disposición en capas de C-Si le dan al SiC una alta dureza, una alta conductividad térmica y una alta velocidad de deriva de saturación, así como una amplia banda prohibida y una alta intensidad del campo de ruptura. En los últimos años, los semiconductores de SiC han atraído una amplia atención en aplicaciones de dispositivos de alta-frecuencia, alta-potencia y tamaño pequeño debido a las excelentes características de sus materiales.
Los cristales de SiC existen en más de 200 politipos, entre los cuales 4H-SiC, 6H-SiC y 3C-SiC son los más comunes. El ‑SiC (politipos hexagonales, representados por 4H‑SiC y 6H‑SiC) tiene un proceso de crecimiento maduro y se usa ampliamente en aplicaciones industriales.. 4El H-SiC contiene sitios de red hexagonales y cúbicos, con bicapas dispuestas en la secuencia ABCB-ABCB, lo que le confiere mayor dureza y estabilidad térmica.. 3El C‑SiC es el único ‑SiC (politipo cúbico), con una estructura cristalina similar a la del silicio. Presenta una conductividad térmica ultraalta, una alta movilidad de canales y una menor densidad de estado de defecto en la interfaz SiO₂/3C-SiC, lo que muestra un potencial de aplicación excepcional.
Para satisfacer las demandas de aplicaciones a gran escala en sectores como los vehículos de nueva energía, la energía solar fotovoltaica y la generación de energía eólica, las tecnologías de crecimiento de monocristales de SiC de alta calidad, gran diámetro y bajo costo se han convertido en un foco clave de investigación y desarrollo. Actualmente, los métodos de crecimiento de cristales de SiC comúnmente utilizados incluyen el transporte físico de vapor (PVT), la deposición química de vapor a alta temperatura (HTCVD) y el crecimiento en solución a alta temperatura (HTSG). Entre ellos, el método PVT está relativamente maduro y ya ha cumplido los requisitos para la producción a gran escala de monocristales de SiC. Sin embargo, a medida que aumentan las demandas de calidad del cristal de SiC y eficiencia energética en diversas industrias, las desventajas del método PVT se vuelven cada vez más evidentes. En primer lugar, la alta temperatura de crecimiento requerida por PVT genera un consumo y un costo de energía significativos. En segundo lugar, los monocristales de SiC cultivados mediante PVT contienen defectos como dislocaciones y microtubos, que afectan gravemente la calidad del cristal. El método HTCVD produce SiC de alta pureza, permite un control eficaz de la relación atómica Si/C y permite el suministro continuo de precursores de crecimiento. Además, los componentes de grafito curvados con formas especiales pueden optimizar eficazmente el transporte de precursores y los procesos de reacción química. Sin embargo, las altas temperaturas y los requisitos especiales de gas del HTCVD aumentan el coste de producción de los cristales de SiC.
En general, el método HTSG ofrece las ventajas de cultivar monocristales de SiC a temperaturas relativamente más bajas en condiciones cercanas al equilibrio termodinámico y, durante el proceso de crecimiento, los defectos de dislocación en el cristal se pueden transformar de manera efectiva. HTSG garantiza una alta calidad del cristal al tiempo que reduce los costos de producción.
En el crecimiento de monocristales de SiC mediante el método HTSG, la selección adecuada de flujos es un factor clave para mejorar la eficiencia y la calidad del crecimiento de cristales de SiC. La elección de los elementos fundentes debe seguir estos principios:
Alta solubilidad de carbono: una alta capacidad de disolución de carbono proporciona un entorno de crecimiento de cristales más estable, y la temperatura de crecimiento relativamente más baja reduce efectivamente los costos experimentales y el consumo de energía.
Alta capacidad de transporte de masa: la adición de elementos fundentes (metales de transición o elementos de tierras raras) reduce la viscosidad de la solución y mejora su fluidez, acelerando así el transporte de solutos de carbono en la solución.
Buena humectabilidad con SiC: la superficie del cristal semilla debe estar completamente humedecida cuando entre en contacto con la solución.
Abundante en la naturaleza y fácilmente disponible.
No se forman fases estables de alta temperatura distintas del SiC a temperaturas elevadas.
Entre ellos, la capacidad de disolución de carbono de los elementos fundentes es particularmente importante, ya que mejorar esta capacidad promueve aún más un crecimiento cristalino rápido y de alta calidad. En el método HTSG, la fuente de carbono para el crecimiento del monocristal de SiC proviene del crisol de grafito que contiene la solución. Dado que la solubilidad del carbono en el silicio fundido es extremadamente baja-solo 13 % en el punto peritectico (3073 K)-y el silicio se vaporiza directamente por encima de 2273 K, es necesario agregar otros elementos de transición o elementos de tierras raras a la solución de silicio para aumentar la solubilidad del carbono, permitiendo así un crecimiento cristalino rápido y de alta calidad.