Os principais métodos para o cultivo de monocristais de carburo de silicio inclúen o transporte físico de vapor (PVT), o crecemento en solución na parte superior (TSSG) e a deposición química de vapor a alta temperatura (HT-CVD).

Entre estes, o método PVT converteuse na principal técnica para a produción industrial debido á súa configuración de equipos relativamente sinxela, á súa facilidade de operación e control e aos seus menores custos de equipos e operación.

---

Puntos técnicos clave do crecemento de cristais de SiC mediante o método PVT

Para cultivar cristais de carburo de silicio usando o método PVT, débense controlar coidadosamente varios aspectos técnicos:

1. Pureza dos materiais de grafito no campo térmico
   Os materiais de grafito empregados no campo térmico de crecemento de cristais deben cumprir uns requisitos estritos de pureza. O contido de impurezas nos compoñentes de grafito debe ser inferior a 5×10⁻⁶, e para os feltros illantes inferior a 10×10⁻⁶. Especificamente, os contidos de boro (B) e aluminio (Al) deben ser inferiores a 0,1×10⁻⁶.

2. Polaridade correcta do cristal semente
   Os datos empíricos amosan que a cara C (0001) é axeitada para o crecemento de cristais de 4H-SiC, mentres que a cara Si (0001) é apropiada para o crecemento de 6H-SiC.

3. Uso de cristais semente fóra do eixo
   As sementes fóra do eixo poden alterar a simetría do crecemento, reducir os defectos cristalinos e promover unha mellor calidade cristalina.

4. Técnica fiable de unión de cristais semente
   Unha unión axeitada entre o cristal semente e o soporte é esencial para a estabilidade durante o crecemento.

5. Mantendo a estabilidade da interface de crecemento
   Durante todo o ciclo de crecemento do cristal, a interface de crecemento debe permanecer estable para garantir un desenvolvemento cristalino de alta calidade.

 

---

Tecnoloxías básicas no crecemento de cristais de SiC

1. Tecnoloxía de dopaxe para po de SiC

O dopado de po de SiC con cerio (Ce) pode estabilizar o crecemento dun único politipo como o 4H-SiC. A práctica demostrou que o dopado con Ce pode:

• Aumentar a taxa de crecemento dos cristais de SiC;

• Mellorar a orientación do cristal para un crecemento máis uniforme e direccional;

• Reducir impurezas e defectos;

• Suprimir a corrosión posterior do cristal;

• Mellorar a taxa de rendemento de monocristal.

2. Control de gradientes térmicos axiais e radiais

Os gradientes de temperatura axiais afectan o politipo cristalino e a velocidade de crecemento. Un gradiente demasiado pequeno pode levar a inclusións de politipos e a unha redución do transporte de material na fase de vapor. Optimizar os gradientes axiais e radiais é fundamental para un crecemento cristalino rápido e estable cunha calidade consistente.

3. Tecnoloxía de control da luxación do plano basal (BPD)

As BPD fórmanse principalmente debido a que a tensión de cizallamento supera o limiar crítico nos cristais de SiC, o que activa os sistemas de deslizamento. Como as BPD son perpendiculares á dirección de crecemento, normalmente xorden durante o crecemento e o arrefriamento do cristal. Minimizar a tensión interna pode reducir significativamente a densidade das BPD.

4. Control da proporción de composición da fase de vapor

Aumentar a proporción carbono-silicio na fase de vapor é un método probado para promover o crecemento dun só politipo. Unha alta proporción C/Si reduce a agrupación por macropasos e mantén a herdanza superficial do cristal semente, suprimindo así a formación de politipos non desexados.

5. Técnicas de crecemento de baixo estrés

A tensión durante o crecemento cristalino pode levar a planos de rede curvos, gretas e densidades BPD máis elevadas. Estes defectos poden propagarse ás capas epitaxiais e afectar negativamente o rendemento do dispositivo.

Varias estratexias para reducir a tensión interna do cristal inclúen:

• Axustar a distribución do campo térmico e os parámetros do proceso para promover un crecemento próximo ao equilibrio;

• Optimización do deseño do crisol para permitir que o cristal creza libremente sen restricións mecánicas;

• Mellorar a configuración do soporte das sementes para reducir a desaxuste de expansión térmica entre a semente e o grafito durante o quecemento, a miúdo deixando un espazo de 2 mm entre a semente e o soporte;

• Procesos de refinado de recocido, permitindo que o cristal arrefríe co forno e axustando a temperatura e a duración para aliviar completamente a tensión interna.

---

Tendencias na tecnoloxía de crecemento de cristais de SiC

1. Tamaños de cristal máis grandes
Os diámetros dos monocristais de SiC aumentaron de só uns poucos milímetros a obleas de 6 polgadas, 8 polgadas e mesmo 12 polgadas. As obleas máis grandes aumentan a eficiencia da produción e reducen os custos, ao tempo que satisfán as demandas das aplicacións de dispositivos de alta potencia.

2. Maior calidade cristalina
Os cristais de SiC de alta calidade son esenciais para os dispositivos de alto rendemento. Malia as melloras significativas, os cristais actuais aínda presentan defectos como microtubos, dislocacións e impurezas, que poden degradar o rendemento e a fiabilidade do dispositivo.

3. Redución de custos
A produción de cristais de SiC segue sendo relativamente cara, o que limita unha adopción máis xeneralizada. A redución de custos mediante procesos de crecemento optimizados, unha maior eficiencia da produción e unha redución dos custos das materias primas é crucial para ampliar as aplicacións no mercado.

4. Fabricación intelixente
Cos avances na intelixencia artificial e nas tecnoloxías de big data, o crecemento dos cristais de SiC está a avanzar cara a procesos intelixentes e automatizados. Os sensores e os sistemas de control poden monitorizar e axustar as condicións de crecemento en tempo real, mellorando a estabilidade e a previsibilidade do proceso. A análise de datos pode optimizar aínda máis os parámetros do proceso e a calidade dos cristais.

O desenvolvemento da tecnoloxía de crecemento de monocristais de SiC de alta calidade é un foco importante na investigación de materiais semicondutores. A medida que a tecnoloxía avanza, os métodos de crecemento de cristais continuarán evolucionando e mellorando, proporcionando unha base sólida para as aplicacións de SiC en dispositivos electrónicos de alta temperatura, alta frecuencia e alta potencia.