Tecnologia de crescimento de cristal único de SiC

Tecnologia de crescimento de cristal único de SiC

Sob pressão normal, não há fase líquida SiC com uma proporção estequiométrica de Si

igual a 1:1Por conseguinte, o método que utiliza a fusão como matéria-prima, comumente utilizado para o crescimento de cristais de silício, não pode ser aplicado ao crescimento de cristais de SiC a granel.Transportes físicos de vapor) é empregado.Neste processo, o pó de SiC é utilizado como matéria-prima, colocado num cadinho de grafite juntamente com um substrato de SiC como cristal de semente,e um gradiente de temperatura é estabelecido com o lado do pó de SiC sendo ligeiramente mais quenteA temperatura global é então mantida entre 2000°C e 2500°C. O método de sublimação que utiliza cristais de sementes de SiC é agora referido como o método Lely modificado.que é amplamente utilizado para a produção de substratos de SiC.

A Figura 1 mostra um diagrama esquemático do crescimento de cristais de SiC usando o método Lely modificado.,Os átomos fornecidos movem-se através da superfície do cristal de semente e são incorporados nas posições onde o cristal está a formar-se,Assim crescendo grãos de SiC cristal únicoUma atmosfera inerte, tipicamente argão a baixa pressão, é utilizada e nitrogénio é introduzido durante a dopagem de tipo n.

O método de sublimação é atualmente amplamente utilizado para a preparação de cristais únicos de SiC.em comparação com o método que utiliza líquido fundido como matéria-prima para o crescimento de cristais únicos de SiEmbora a qualidade esteja melhorando gradualmente, os cristais ainda contêm muitos deslocamentos e outros problemas.

Além do método de sublimação,Também foram feitas tentativas de preparar cristais individuais de SiC a granel usando métodos como o crescimento da fase líquida através de uma solução ou deposição de vapor químico a alta temperatura (CVD)A Figura 2 mostra um diagrama esquemático do método de crescimento na fase líquida para os cristal de SiC.

Em primeiro lugar, no que diz respeito ao método de crescimento na fase líquida, a solubilidade do carbono num solvente de silício é muito baixa.elementos como Ti e Cr são adicionados ao solvente para aumentar a solubilidade do carbonoO carbono é fornecido por um cadinho de grafite e o cristal único de SiC cresce na superfície do cristal de semente a uma temperatura ligeiramente mais baixa.A temperatura de crescimento é normalmente definida entre 1500°C e 2000°CFoi relatado que a taxa de crescimento pode atingir várias centenas de micrómetros por hora.

A vantagem do método de crescimento de fase líquida para SiC é que, ao crescer cristais ao longo da direção [0001], as deslocações que se estendem na direção [0001] podem ser dobradas na direção vertical,Arrancando-os do cristal através das paredes laterais.Os deslocamentos de parafuso que se estendem ao longo da direção [0001] estão densamente presentes em cristais de SiC existentes e são uma fonte de corrente de vazamento em dispositivosA densidade das deslocações dos parafusos é significativamente reduzida nos cristais de SiC preparados utilizando o método de crescimento da fase líquida.

Os desafios no crescimento da solução incluem aumentar a taxa de crescimento, estender o comprimento dos cristais cultivados e melhorar a morfologia da superfície dos cristais.

O crescimento da deposição química de vapor (CVD) de alta temperatura de cristais únicos de SiC envolve o uso de SiH4 como fonte de silício e C3H8 como fonte de carbono em uma atmosfera de hidrogênio de baixa pressão,com crescimento na superfície de um substrato de SiC mantido a uma temperatura elevada (normalmente superior a 2000°C)Os gases brutos introduzidos no forno de crescimento decompõem-se em moléculas como o SiC2 e o Si2C na zona de decomposição rodeada de parede quente, que são transportadas para a superfície do cristal de semente,onde o SiC monocristalino é cultivado.

As vantagens do método CVD de alta temperatura incluem a capacidade de utilizar gases brutos de alta pureza e, ao controlar o caudal do gás, a relação C/Si na fase gasosa pode ser controlada com precisão,que é um parâmetro de crescimento importante que afeta a densidade de defeitoNo crescimento de SiC a granel, pode ser alcançada uma taxa de crescimento relativamente rápida, superior a 1 mm/h.As desvantagens do método CVD de alta temperatura incluem o acúmulo significativo de subprodutos da reação no interior do forno de crescimento e dos tubos de escape.Além disso, as reações de fase gasosa geram partículas no fluxo de gás, que podem tornar-se impurezas no cristal.

O método CVD de alta temperatura tem um grande potencial como método para a produção de cristais de SiC a granel de alta qualidade.maior produtividade, e menor densidade de deslocamento em comparação com o método de sublimação.

Além disso, o método RAF (Repeated A-Face) é relatado como uma técnica baseada em sublimação que produz cristais de SiC a granel com menos defeitos.Um cristal de semente cortado perpendicularmente à direção [0001] é retirado de um cristal cultivado na direção [0001]Em seguida, outro cristal de semente é cortado perpendicular a esta nova direção de crescimento, e mais cristais de SiC são cultivados.As luxações são varridas para fora do cristal, resultando em cristais de SiC a granel com menos defeitos.A densidade de deslocação dos cristais de SiC preparados pelo método RAF é relatada como sendo de 1 a 2 ordens de grandeza inferior à dos cristais de SiC normais..

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