Como semicondutor de terceira{0}}geração, o carboneto de silício (SiC) tem propriedades elétricas e térmicas superiores às do silício, tornando-o um dos materiais ideais para a fabricação de dispositivos de alta-temperatura, alta-frequência, alta-potência e alta-tensão. SiC é um composto composto de silício e carbono. Os átomos de silício e os átomos de carbono formam uma estrutura tetraédrica. Os cristais de SiC têm mais de 200 politipos conhecidos, que são formados pela alternância de camadas atômicas de silício e camadas atômicas de carbono de diferentes maneiras. Os mais comuns são 3C-SiC (estrutura cúbica, ou -SiC), 4H-SiC e 6H-SiC (ambas estruturas hexagonais, ou -SiC).
3C-SiC
3C-SiC é o politipo de SiC mais simples e possui uma estrutura cúbica compacta-. Nessa estrutura, os átomos de silício e carbono estão dispostos de maneira específica no espaço tri-dimensional, formando uma estrutura cristalina altamente simétrica. Devido à sua simetria, o 3C-SiC tem propriedades eletrônicas e ópticas relativamente pobres e atualmente é usado relativamente pouco em aplicações práticas.
4H-SiC e 6H-SiC
Ao contrário do 3C-SiC, 4H-SiC e 6H-SiC têm estruturas hexagonais compactas-compactadas. Esses dois politipos são superiores ao 3C-SiC em mobilidade de elétrons, condutividade térmica e bandgap. 4H-SiC tem maior mobilidade de elétrons, tornando-o mais ideal para dispositivos eletrônicos de alta-frequência e alta-potência. Ele é mais amplamente utilizado em áreas como novos veículos de energia e comunicações 5G, e os atuais fabricantes de SiC produzem principalmente 4H-SiC. 6H-O SiC tem um intervalo de banda maior e, portanto, tem melhor desempenho em ambientes de alta-temperatura e alta{21}}radiação.
Tecnologias de crescimento para cristais únicos de SiC
Atualmente, as principais tecnologias usadas para o crescimento de cristais de SiC incluem transporte físico de vapor (PVT), deposição química de vapor em alta-temperatura (HTCVD) e crescimento-de solução semeada superior (TSSG). Entre eles, o PVT é atualmente o método de crescimento de cristal único-de SiC mais maduro e mais amplamente utilizado na China e no exterior.
Método de Transporte Físico de Vapor (PVT)
O transporte físico de vapor (PVT) é um método amplamente adotado para o crescimento comercial de monocristais de SiC. Foi desenvolvido a partir do método Lely, desenvolvido por Lely em 1955 através de um processo de sublimação. No entanto, o método Lely não pode controlar eficazmente o crescimento de um único-cristal. Em 1977, Tairov e Tsvetkov foram os primeiros a usar a sublimação semeada para cultivar monocristais de SiC; este método também é chamado de "método Lely modificado" ou método PVT.
No PVT, um cristal semente é colocado no topo de um cadinho de grafite e pó de SiC de alta{0}pureza é colocado na parte inferior. Fora do cadinho existe uma camada de isolamento térmico; uma bobina de aquecimento por indução está fora da camada de isolamento e a água de resfriamento está dentro da bobina. Dentro do cadinho, controlando a temperatura e o gradiente de temperatura, o pó de SiC é convertido em estado gasoso e transportado para o cristal semente, onde ocorre então o crescimento do cristal. A matéria-prima do PVT é pó de SiC de alta-pureza e a temperatura de crescimento é de 2.100 a 2.500 graus. Atualmente, alguns fabricantes nacionais de SiC usam este método como método de produção principal. Suas desvantagens são alta temperatura de crescimento, alto consumo de energia e alto custo; os cristais cultivados apresentam muitos defeitos, que afetam o desempenho e a vida útil do dispositivo.
Embora a tecnologia de crescimento PVT SiC já esteja muito madura, os seguintes problemas permanecem na produção real: No crescimento PVT de monocristais de SiC, ocorrem facilmente transições politípicas, levando a inclusões policristalinas. Controlar um único politipo durante o crescimento do cristal SiC é uma questão complexa. Tomando como exemplo os monocristais 4H{3}}SiC convencionais, o crescimento estável de um único politipo é afetado por muitos fatores, incluindo a polaridade do cristal semente, a temperatura de crescimento, a pressão de crescimento, a relação Si/C em fase de vapor- e o tipo de dopagem, o que significa que a regulação precisa do politipo SiC se torna mais difícil. O controle preciso da temperatura no forno durante o crescimento de PVT de monocristais de SiC também continua sendo um enorme desafio. Além disso, o PVT depende do transporte de gás e de processos de reação em altas temperaturas, o que impõe altas demandas ao fluxo de gás, à cinética da reação e assim por diante.
Método de deposição química de vapor em alta-temperatura (HTCVD)
No método de deposição química de vapor em alta-temperatura (HTCVD), um cristal de semente de SiC é colocado em um cadinho feito de grafite. O silano e um gás precursor-contendo carbono, como matéria-prima, entram continuamente no cadinho através de um reator inferior. O silano então pirolise diretamente em aglomerados de Si, que reagem com hidrocarbonetos (CxHy) no gás precursor contendo-carbono para formar um cristal único de SiC abaixo do cristal semente.
Comparado ao PVT, o HTCVD usa matérias-primas de maior-pureza e pode controlar com precisão a taxa de alimentação da matéria-prima, a proporção C/Si e a temperatura de crescimento durante o crescimento, produzindo assim cristais de SiC de maior-qualidade. Além disso, a pirólise direta do gás de arraste proporciona ao HTCVD maior eficiência energética do que outros métodos, e o gás de arraste de alta-velocidade ajuda os aglomerados obtidos pela pirólise a alcançar o cristal de semente de SiC, de modo que o HTCVD produz cristais de SiC mais rapidamente do que outros métodos.
HTCVD tem vantagens como alta qualidade de cristal, rápida taxa de crescimento e alimentação contínua. Porém, como os equipamentos de crescimento e os gases de alta{1}}pureza são caros, esse método tem custos de produção elevados e seu processo de comercialização é lento. Ao mesmo tempo, no crescimento HTCVD de cristais únicos de SiC, porque SiH4 e C3H8 devem se decompor em alta temperatura e sofrer várias reações antes de finalmente crescerem cristais na semente de SiC, se o gás fonte se decompor muito rapidamente, a entrada de gás ficará bloqueada; se o gás fonte se decompor muito lentamente, o gás que não reagiu permanecerá na saída do gás e causará bloqueio. Isso torna o equipamento de crescimento de-cristal único HTCVD SiC relativamente instável. Além disso, a pesquisa atual sobre HTCVD é insuficiente, o processo ainda não está maduro e ainda está em fase de P&D, portanto, o crescimento do HTCVD de cristais únicos de SiC não é amplamente utilizado na indústria.
Método-de crescimento de solução inicial (TSSG, na sigla em inglês)
No método-de crescimento de solução semeada (TSSG, na sigla em inglês), a fonte de silício é um fundido de silício e a fonte de carbono é um cadinho de grafite de alta-pureza. Abaixo de 2.000 graus, a solubilidade do carbono no silício fundido é inferior a 1%, tornando difícil atingir a proporção molar Si:C=1:1 necessária para o crescimento do cristal de SiC. Mesmo a 2.800 graus, a solubilidade do carbono no silício é de apenas 19%. Portanto, em experimentos reais de crescimento de cristais de SiC em fase-líquida, alguns fluxos precisam ser adicionados para aumentar a solubilidade do carbono na solução-de alta temperatura. Os fluxos comuns incluem Cr, Fe, Ti, etc. Durante o crescimento do cristal, o carbono no cadinho de grafite se dissolve gradualmente no fundido e é transportado através do fundido até o cristal semente, permitindo um fornecimento contínuo de carbono. Ao controlar parâmetros como velocidade de rotação da semente/cadinho, campo de temperatura e frequência e magnitude da corrente, gradientes de temperatura, gradientes de pressão e campos de fluxo apropriados são formados no fundido, para que o carbono possa ser transportado da parede do cadinho para o cristal de semente. No entanto, no crescimento real, o cristal semente é frequentemente dissolvido e o material policristalino precipita na parede do cadinho e no cristal semente. Portanto, ao longo do processo de crescimento do cristal, os parâmetros de crescimento devem ser ajustados para manter todo o sistema num equilíbrio dinâmico adequado, de modo que o crescimento contínuo do cristal possa ser alcançado.
O TSSG pode preparar cristais de SiC sob condições de crescimento mais suaves. Ele também possui recursos técnicos, como regulação dinâmica e precisa de parâmetros de processo, crescimento contínuo de expansão de diâmetro e dopagem uniforme de alto tipo p-. Tornou-se uma das tecnologias inovadoras altamente competitivas para substratos de SiC de baixo-custo e alta{4}}qualidade. Embora o TSSG apresente vantagens significativas na preparação de cristais de SiC, também apresenta elevadas barreiras técnicas, refletidas principalmente nos numerosos parâmetros do processo que precisam ser regulados; qualquer escolha inadequada de parâmetros pode perturbar o equilíbrio dinâmico durante o crescimento do cristal e causar defeitos macroscópicos graves.