Los principales métodos para el crecimiento de monocristales de carburo de silicio incluyen el transporte físico de vapor (PVT), el crecimiento en solución sembrada desde arriba (TSSG) y la deposición química de vapor a alta temperatura (HT-CVD).

Entre ellos, el método PVT se ha convertido en la técnica principal para la producción industrial debido a su configuración de equipo relativamente simple, facilidad de operación y control y menores costos operativos y de equipo.

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Puntos técnicos clave del crecimiento de cristales de SiC mediante el método PVT

Para cultivar cristales de carburo de silicio mediante el método PVT, se deben controlar cuidadosamente varios aspectos técnicos:

1. Pureza de los materiales de grafito en el campo térmico
   Los materiales de grafito utilizados en el campo térmico del crecimiento de cristales deben cumplir estrictos requisitos de pureza. El contenido de impurezas en los componentes de grafito debe ser inferior a 5×10⁻⁶, y en el caso de los fieltros aislantes, inferior a 10×10⁻⁶. En concreto, el contenido de boro (B) y aluminio (Al) debe ser inferior a 0,1×10⁻⁶.

2. Polaridad correcta del cristal semilla
   Los datos empíricos muestran que la cara C (0001) es adecuada para el crecimiento de cristales de 4H-SiC, mientras que la cara Si (0001) es apropiada para el crecimiento de 6H-SiC.

3. Uso de cristales semilla fuera del eje
   Las semillas fuera del eje pueden alterar la simetría del crecimiento, reducir los defectos de los cristales y promover una mejor calidad de los cristales.

4. Técnica confiable de unión de cristales semilla
   La unión adecuada entre el cristal semilla y el soporte es esencial para la estabilidad durante el crecimiento.

5. Mantenimiento de la estabilidad de la interfaz de crecimiento
   Durante todo el ciclo de crecimiento del cristal, la interfaz de crecimiento debe permanecer estable para garantizar un desarrollo de cristales de alta calidad.

 

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Tecnologías centrales en el crecimiento de cristales de SiC

1. Tecnología de dopaje para polvo de SiC

El dopado de polvo de SiC con cerio (Ce) puede estabilizar el crecimiento de un único politipo, como el 4H-SiC. La práctica ha demostrado que el dopado con Ce puede:

• Aumentar la tasa de crecimiento de los cristales de SiC;

• Mejorar la orientación de los cristales para un crecimiento más uniforme y direccional;

• Reducir impurezas y defectos;

• Suprimir la corrosión posterior del cristal;

• Mejora la tasa de rendimiento del monocristal.

2. Control de gradientes térmicos axiales y radiales

Los gradientes axiales de temperatura afectan el politipo cristalino y su tasa de crecimiento. Un gradiente demasiado pequeño puede provocar inclusiones de politipo y una reducción del transporte de material en la fase de vapor. Optimizar los gradientes axiales y radiales es fundamental para un crecimiento cristalino rápido y estable con una calidad constante.

3. Tecnología de control de dislocación del plano basal (BPD)

Los BPD se forman principalmente debido a que la tensión de cizallamiento supera el umbral crítico en los cristales de SiC, lo que activa sistemas de deslizamiento. Dado que los BPD son perpendiculares a la dirección de crecimiento, suelen surgir durante el crecimiento y el enfriamiento del cristal. Minimizar la tensión interna puede reducir significativamente la densidad de BPD.

4. Control de la relación de composición de la fase de vapor

Aumentar la relación carbono-silicio en la fase de vapor es un método comprobado para promover el crecimiento de politipos individuales. Una relación C/Si alta reduce el agrupamiento por macropasos y conserva la herencia superficial del cristal semilla, suprimiendo así la formación de politipos no deseados.

5. Técnicas de crecimiento sin estrés

La tensión durante el crecimiento del cristal puede provocar planos reticulares curvados, grietas y mayores densidades de BPD. Estos defectos pueden extenderse a las capas epitaxiales y afectar negativamente el rendimiento del dispositivo.

Varias estrategias para reducir el estrés interno del cristal incluyen:

• Ajuste de la distribución del campo térmico y de los parámetros del proceso para promover un crecimiento cercano al equilibrio;

• Optimizar el diseño del crisol para permitir que el cristal crezca libremente sin restricciones mecánicas;

• Mejorar la configuración del portasemillas para reducir el desajuste de expansión térmica entre la semilla y el grafito durante el calentamiento, a menudo dejando un espacio de 2 mm entre la semilla y el portasemillas;

• Procesos de recocido refinado, que permiten que el cristal se enfríe con el horno y ajustan la temperatura y la duración para aliviar completamente la tensión interna.

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Tendencias en la tecnología de crecimiento de cristales de SiC

1. Tamaños de cristal más grandes
El diámetro de los monocristales de SiC ha aumentado de tan solo unos milímetros a obleas de 6, 8 e incluso 12 pulgadas. Las obleas de mayor tamaño aumentan la eficiencia de producción y reducen los costos, a la vez que satisfacen las demandas de las aplicaciones de dispositivos de alta potencia.

2. Mayor calidad del cristal
Los cristales de SiC de alta calidad son esenciales para dispositivos de alto rendimiento. A pesar de las mejoras significativas, los cristales actuales aún presentan defectos como microtubos, dislocaciones e impurezas, que pueden reducir el rendimiento y la fiabilidad del dispositivo.

3. Reducción de costos
La producción de cristales de SiC sigue siendo relativamente cara, lo que limita su adopción generalizada. Reducir costos mediante procesos de crecimiento optimizados, una mayor eficiencia de producción y menores costos de materia prima es crucial para expandir las aplicaciones en el mercado.

4. Fabricación inteligente
Gracias a los avances en inteligencia artificial y tecnologías de big data, el crecimiento de cristales de SiC avanza hacia procesos inteligentes y automatizados. Los sensores y sistemas de control pueden monitorizar y ajustar las condiciones de crecimiento en tiempo real, mejorando la estabilidad y la previsibilidad del proceso. El análisis de datos puede optimizar aún más los parámetros del proceso y la calidad de los cristales.

El desarrollo de tecnología de crecimiento monocristalino de SiC de alta calidad es un objetivo fundamental en la investigación de materiales semiconductores. A medida que la tecnología avanza, los métodos de crecimiento cristalino seguirán evolucionando y mejorando, proporcionando una base sólida para las aplicaciones de SiC en dispositivos electrónicos de alta temperatura, alta frecuencia y alta potencia.