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

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

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

Para cultivar cristales de carburo de silicio utilizando 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 empleados 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. Concretamente, los contenidos de boro (B) y aluminio (Al) deben ser inferiores a 0,1 × 10⁻⁶ cada uno.

2. Polaridad correcta del cristal semilla
   Los datos empíricos muestran que la cara C (0001) es adecuada para el crecimiento de cristales 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 de crecimiento, reducir los defectos cristalinos y promover una mejor calidad del cristal.

4. Técnica fiable de unión de cristales semilla
   Una correcta unión 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 cristalino de alta calidad.

 

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Tecnologías clave en el crecimiento de cristales de SiC

1. Tecnología de dopaje para polvo de SiC

El dopaje 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 dopaje 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 de la cara posterior del cristal;

• Aumentar el rendimiento de monocristales.

2. Control de gradientes térmicos axiales y radiales

Los gradientes de temperatura axiales influyen en el politipo cristalino y la velocidad de crecimiento. Un gradiente demasiado pequeño puede provocar inclusiones de politipos y una menor transferencia de material en la fase vapor. La optimización de los gradientes axiales y radiales es fundamental para un crecimiento cristalino rápido y estable con una calidad uniforme.

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

Las dislocaciones de puente (BPD) se forman principalmente debido a que la tensión cortante supera el umbral crítico en los cristales de SiC, activando sistemas de deslizamiento. Dado que las BPD son perpendiculares a la dirección de crecimiento, suelen aparecer durante el crecimiento y enfriamiento del cristal. Minimizar la tensión interna puede reducir significativamente la densidad de BPD.

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

Incrementar la proporción de carbono a silicio en la fase vapor es un método comprobado para promover el crecimiento de un solo politipo. Una alta proporción C/Si reduce la agrupación de macroescalones y conserva la herencia superficial del cristal semilla, suprimiendo así la formación de politipos no deseados.

5. Técnicas de crecimiento con bajo estrés

La tensión durante el crecimiento de cristales puede provocar planos reticulares curvos, grietas y mayores densidades de defectos de polarización de fondo (BPD). Estos defectos pueden propagarse a las capas epitaxiales y afectar negativamente al rendimiento del dispositivo.

Algunas estrategias para reducir la tensión interna de los cristales incluyen:

• Ajustar la distribución del campo térmico y 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 soporte de semillas para reducir la diferencia 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 soporte;

• Perfeccionar los procesos de recocido, permitiendo que el cristal se enfríe con el horno y ajustando 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 desde unos pocos milímetros hasta obleas de 6, 8 e incluso 12 pulgadas. Las obleas de mayor tamaño incrementan la eficiencia de producción y reducen los costes, 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 los dispositivos de alto rendimiento. A pesar de las importantes mejoras, los cristales actuales aún presentan defectos como microporos, dislocaciones e impurezas, que pueden degradar el rendimiento y la fiabilidad del dispositivo.

3. Reducción de costos
La producción de cristales de SiC sigue siendo relativamente costosa, lo que limita su adopción generalizada. Reducir los costos mediante la optimización de los procesos de crecimiento, el aumento de la eficiencia de producción y la disminución de los costos de las materias primas es fundamental para ampliar las aplicaciones en el mercado.

4. Fabricación inteligente
Gracias a los avances en inteligencia artificial y tecnologías de macrodatos, el crecimiento de cristales de SiC está evolucionando hacia procesos inteligentes y automatizados. Los sensores y sistemas de control permiten monitorizar y ajustar las condiciones de crecimiento en tiempo real, mejorando la estabilidad y la predictibilidad del proceso. El análisis de datos permite optimizar aún más los parámetros del proceso y la calidad del cristal.

El desarrollo de tecnologías de crecimiento de monocristales de SiC de alta calidad es un área de investigación clave en 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.