O carboneto de silício (SiC) é um material semicondutor composto de banda larga com propriedades físicas e químicas exclusivas. As ligações químicas C-Si e o arranjo C-Si em camadas proporcionam ao SiC alta dureza, alta condutividade térmica e alta velocidade de deriva de saturação, bem como um amplo bandgap e alta intensidade de campo de ruptura. Nos últimos anos, os semicondutores de SiC têm atraído ampla atenção em aplicações de alta-frequência, alta-potência e dispositivos de pequeno porte devido às excelentes características de seus materiais.
Os cristais de SiC existem em mais de 200 politipos, entre os quais 4H‑SiC, 6H‑SiC e 3C‑SiC são os mais comuns. ‑SiC (politipos hexagonais, representados por 4H‑SiC e 6H‑SiC) tem um processo de crescimento maduro e é amplamente utilizado em aplicações industriais. 4H‑SiC contém locais de rede hexagonal e cúbica, com bicamadas dispostas na sequência ABCB–ABCB, dotando-o de maior dureza e estabilidade térmica. 3C‑SiC é o único ‑SiC (politipo cúbico), com um estrutura cristalina semelhante à do silício. Ele exibe condutividade térmica ultra-alta, alta mobilidade de canal e menor densidade de estado de defeito na interface SiO₂/3C-SiC, mostrando excelente potencial de aplicação.
Para atender às demandas de aplicação em larga escala em setores como veículos de energia nova, energia solar fotovoltaica e geração de energia eólica, as tecnologias de crescimento de cristal único de SiC de alta qualidade, grande diâmetro e baixo custo tornaram-se um foco importante de pesquisa e desenvolvimento. Atualmente, os métodos de crescimento de cristais de SiC comumente usados incluem transporte físico de vapor (PVT), deposição química de vapor em alta temperatura (HTCVD) e crescimento de solução em alta temperatura (HTSG). Entre estes, o método PVT está relativamente maduro e já atendeu aos requisitos para a produção em larga escala de monocristais de SiC. No entanto, à medida que as exigências de qualidade do cristal de SiC e eficiência energética aumentam em várias indústrias, as desvantagens do método PVT tornam-se cada vez mais aparentes. Primeiro, a alta temperatura de crescimento exigida pelo PVT leva a um consumo e custo de energia significativos. Em segundo lugar, os monocristais de SiC cultivados por PVT contêm defeitos como discordâncias e microtubos, que afetam seriamente a qualidade do cristal. O método HTCVD produz SiC com alta pureza, permite o controle eficaz da razão atômica Si/C e permite o fornecimento contínuo de precursores de crescimento. Além disso, componentes curvos de grafite com formato especial podem efetivamente otimizar o transporte de precursores e os processos de reação química. No entanto, os requisitos de alta temperatura e gases especiais do HTCVD aumentam o custo de produção dos cristais de SiC.
No geral, o método HTSG oferece as vantagens de cultivar monocristais de SiC a temperaturas relativamente mais baixas sob condições de equilíbrio quase termodinâmico e, durante o processo de crescimento, os defeitos de discordância no cristal podem ser efetivamente transformados. HTSG garante alta qualidade de cristal enquanto reduz custos de produção.
No crescimento de monocristais de SiC pelo método HTSG, a seleção adequada de fluxos é um fator chave para melhorar a eficiência e a qualidade do crescimento de cristais de SiC. A escolha dos elementos de fluxo deve seguir estes princípios:
Alta solubilidade de carbono: Uma alta capacidade de dissolução de carbono proporciona um ambiente de crescimento de cristal mais estável, e a temperatura de crescimento relativamente mais baixa reduz efetivamente os custos experimentais e o consumo de energia.
Alta capacidade de transporte de massa: A adição de elementos de fluxo (metais de transição ou elementos de terras raras) reduz a viscosidade da solução e melhora sua fluidez, acelerando assim o transporte de solutos de carbono na solução.
Boa molhabilidade com SiC: A superfície do cristal semente deve estar totalmente molhada quando em contato com a solução.
Abundante na natureza e prontamente disponível.
Nenhuma formação de fases estáveis de alta temperatura além do SiC em temperaturas elevadas.
Entre estes, a capacidade de dissolução de carbono dos elementos de fluxo é particularmente importante, uma vez que o aumento desta capacidade promove ainda mais o crescimento rápido e de alta qualidade dos cristais. No método HTSG, a fonte de carbono para o crescimento do cristal único de SiC vem do cadinho de grafite que contém a solução. Como a solubilidade do carbono no silício fundido é extremamente baixa-apenas 13% no ponto peritético (3.073 K)-e o silício vaporiza diretamente acima de 2.273 K, é necessário adicionar outros elementos de transição ou elementos de terras raras à solução de silício para aumentar a solubilidade do carbono, permitindo assim o crescimento rápido e de alta qualidade do cristal.