El sustrato monocristalino 3C-SiC se puede suministrar con especificaciones como:https://www.powerwaywafer.com/3c-sic-wafer.html.

El carburo de silicio (SiC) tiene excelentes propiedades, como banda prohibida amplia, alta intensidad de campo de ruptura, alta tasa de deriva de electrones de saturación y alta conductividad térmica, y tiene aplicaciones importantes en campos como vehículos de nueva energía, energía fotovoltaica y comunicación 5G. En comparación con el 4H-SiC ampliamente utilizado, el SiC cúbico (3C SiC) tiene una mayor movilidad del portador (2-4 veces), una menor densidad de estados de defectos de interfaz (un orden de magnitud menor) y una mayor afinidad electrónica (3,7 eV). El uso de 3C-SiC para preparar transistores de efecto de campo puede resolver el problema de la baja confiabilidad del dispositivo causada por defectos en la interfaz de oxígeno de puerta múltiple. Pero el progreso de los transistores basados ​​en 3C-SiC es lento, principalmente debido a la falta de sustratos monocristalinos. Estudios anteriores han demostrado que el 3C-SiC es propenso a la transición de fase durante el crecimiento, y los métodos de crecimiento existentes no pueden obtener cristales con una forma de cristal único.

1. Crecimiento estable de 3C-SiC cultivado en 4H-SiC mediante TSSG

Según la teoría clásica del crecimiento de cristales, para cristales de interfaz suaves, la nucleación bidimensional homogénea debe superar barreras potenciales críticas, con la existencia de energía libre de Gibbs crítica o sobresaturación, mientras que el crecimiento puede ocurrir en cualquier sobresaturación pequeña. Para la nucleación heterogénea, debido a la introducción de nueva energía de interfaz sólido-sólido, la nucleación bidimensional necesita superar barreras potenciales críticas más altas. Por lo tanto, bajo la misma sobresaturación, la nucleación y el crecimiento homogéneos son significativamente mejores en términos de energía que la nucleación y el crecimiento heterogéneos, lo que dificulta que esto último ocurra.

Recientemente, un equipo de investigación ha propuesto la idea académica de regular la energía de la interfaz sólido-líquido para priorizar la nucleación y el crecimiento en cristales semilla heterogéneos en comparación con cristales semilla homogéneos. Incluyendo principalmente:

1) La discrepancia de red entre las superficies fundidas de 3C (111) y 4H (0001) es pequeña y la energía de la interfaz sólido-sólido es muy baja;

2) La diferencia en la energía libre de Gibbs entre las fases masivas de 4H y 3C es relativamente pequeña;

3) Si la energía de interfaz de 3C (111) – fundido es suficientemente baja en comparación con la de 4H (0001) – fundido ajustando la composición del fundido, la nucleación bidimensional y el posterior crecimiento de la energía libre de Gibbs son más favorables para el 3C. fase.

El equipo diseñó y construyó de forma independiente equipos de prueba para la tensión superficial y el ángulo de contacto sólido-líquido de fundidos a temperaturas ultraaltas. La tensión superficial de diferentes composiciones de masas fundidas y el ángulo de contacto entre la masa fundida y 4H-SiC, 3C-SiC se midieron a altas temperaturas, y la ley de variación de la energía de la interfaz sólido-líquido entre 4H-SiC, 3C-SiC y alta- Se obtuvo la temperatura de fusión, verificando la viabilidad de la regulación de la energía de la interfaz. El equipo utilizó el método de fase líquida de alta temperatura para lograr un menor requerimiento de energía libre de Gibbs para 3C-SiC en las mismas condiciones de sobresaturación, suprimiendo las transiciones de fase durante el crecimiento. Por primera vez a nivel internacional, se cultivaron monocristales de 3C-SiC con un diámetro de 2 a 4 pulgadas, un espesor de 4 a 10 mm y una forma de monocristal, como se muestra en la Fig. 1.

Fig. 1 Se logró una nucleación heterogénea y un crecimiento estable de cristales de 2 a 4 pulgadas y 4 a 10 mm de espesor de 3C-SiC en cristales semilla de 4H-SiC utilizando el método TSSG.

2. Propiedades del monocristal 3C-SiC cultivado con TSSG

Las mediciones de espectroscopía de dispersión Raman a lo largo de la dirección del espesor del cristal indican que al comienzo del crecimiento, el 3C-SiC se nuclea y crece en el cristal semilla de 4H-SiC, con una zona de coexistencia de menos de 20 μm. La figura 2 (ab) confirma aún más la teoría anterior. La mitad del ancho promedio de la curva de oscilación de rayos X en la superficie de crecimiento (111) es de 30 segundos de arco, lo que indica que el SiC 3C crecido tiene una alta calidad cristalina. La resistividad a temperatura ambiente del monocristal de SiC 3C es de solo 0,58 m Ω·cm, que es 1/40 de la resistividad de la oblea comercial de 4H-SiC (15-28 mΩ·cm) y se espera que reduzca la pérdida de energía del dispositivo.

Fig. 2 Determinación de la estructura cristalina de 3C-SiC. a) Seleccione aleatoriamente 20 espectros de dispersión Raman de la superficie de crecimiento (111), y el recuadro muestra la distribución de los puntos de prueba en el cristal. b) Espectros de dispersión Raman a lo largo de la dirección del espesor del cristal. c) Espectro de fotoluminiscencia (PL) medido a 300K. d) Imagen de microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de ángulo alto (HAADF-STEM). La ilustración muestra el patrón de difracción de electrones del área seleccionada (SAED) a lo largo del eje de la banda del cristal [110].

El crecimiento de los monocristales de 3C-SiC a nivel de oblea llena el vacío a nivel mundial, haciendo posible la producción en masa de cristales de 3C-SiC y brindando nuevas oportunidades para el desarrollo de dispositivos electrónicos de potencia de alto rendimiento. Mientras tanto, el mecanismo de nucleación y crecimiento preferencial en cristales semilla heterogéneos en comparación con cristales semilla homogéneos amplía la teoría tradicional del crecimiento de cristales.

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