Materiales avanzados de cristal de semiconductores

El carburo de silicio (SiC) se ha convertido en uno de los materiales más estratégicos en electrónica de potencia, dispositivos de RF y plataformas de semiconductores de próxima generación. Entre todas las tecnologías de crecimiento de cristales disponibles, el transporte físico de vapor (PVT) sigue siendo el método industrial dominante para producir cristales individuales de SiC de alta calidad.

En el proceso PVT, el polvo de SiC de alta pureza se sublima térmicamente en una cámara de crecimiento sellada, y las especies de vapor se transportan y se recondensan sobre un cristal semilla, formando una boule de SiC de un solo cristal. Un sistema de crecimiento PVT típico consta de tres subsistemas estrechamente acoplados: control de temperatura, control de presión y conjunto de crecimiento de cristales.

1. Arquitectura del sistema de crecimiento PVT

1.1 Sistema de control de temperatura

En los hornos PVT de SiC se utilizan comúnmente dos modos de calentamiento:

• Calentamiento por inducción (10–100 kHz):
  Una bobina de cuarzo de doble capa refrigerada por agua induce corrientes de Foucault en el crisol de grafito, generando calor. El crisol está rodeado de fieltro de grafito para el aislamiento térmico.

• Calentamiento por resistencia:
  Un calentador de grafito produce calor Joule, que se transfiere al crisol por radiación y luego al polvo de SiC por conducción.

En comparación con el calentamiento por resistencia, el calentamiento por inducción ofrece mayor eficiencia, menor costo de mantenimiento y un diseño de horno más simple, pero es más sensible a las perturbaciones externas y requiere un control de campo térmico más sofisticado.

1.2 Sistema de control de presión

El sistema de presión primero evacua la cámara a alto vacío, luego introduce una cantidad controlada de gas inerte (típicamente argón). La presión de crecimiento debe regularse con precisión, ya que la sublimación de SiC, el transporte de vapor y la condensación dependen en gran medida de la presión. El crecimiento de alta calidad requiere un acoplamiento estrecho del control de temperatura y presión.

1.3 Conjunto de crecimiento de cristales

La región central de crecimiento consta de:

• Crisol de grafito

• Polvo fuente de SiC

• Cristal semilla

A alta temperatura, el polvo de SiC se descompone en especies de vapor como Si, Si₂C y SiC₂. Estas especies gaseosas migran hacia la región del cristal semilla más fría, donde se recombinan y cristalizan en SiC de un solo cristal.

2. Ingeniería del crisol y la estructura interna

La geometría interna del crisol afecta en gran medida el tamaño del cristal, la uniformidad del crecimiento y la densidad de defectos.

Los primeros trabajos de SiCrystal (Alemania) utilizaron particiones de grafito para forzar la nucleación parasitaria en superficies de sacrificio, lo que permitió que el cristal principal creciera más grande. DENSO introdujo placas de blindaje móviles y guías de flujo cónicas para controlar el transporte de vapor y mejorar la uniformidad de los bordes.

Desarrollos posteriores incluyen:

• Particiones de filtrado de gas (II-VI, SiCrystal)

• Capas de purificación de la fuente (TankeBlue, China)

• Portasemillas móviles y zonas de crecimiento ajustables (Instituto de Física, CAS; SKC; Showa Denko; Tianyue Advanced)

Más recientemente, la atención se ha centrado en el control dinámico de la zona de crecimiento, como levantar la semilla o el polvo fuente para mantener una diferencia de temperatura estable y permitir diámetros de boule más grandes.

3. Diseño y orientación del cristal semilla

El crecimiento de SiC es altamente anisotrópico. La orientación cristalográfica de la semilla determina directamente la velocidad de crecimiento, la formación de defectos y la estabilidad del politipo.

Los desarrollos históricos clave incluyen:

• Siemens (1989): cara polar (0001)

• Toyota (1997): caras fuera de eje inclinadas 20°–55°

• Wolfspeed (2005): pequeña inclinación entre el eje c y el gradiente térmico

• Bridgestone (2008): superficies de semillas convexas para suprimir micropipas

La ingeniería de superficies reduce aún más los defectos:

• Ranuras y texturas periódicas (Nippon Steel, HOYA, Fuji Electric)

• Microestructuras huecas para controlar el flujo de escalones

4. Ingeniería de semillas de gran diámetro

Las boules de SiC grandes requieren semillas grandes. Dado que las semillas nativas grandes no están disponibles, la tecnología de semillas en mosaico se utiliza ampliamente.

• TankeBlue (2016): semillas pequeñas unidas → boules de 150 mm

• Universidad de Shandong (2019): mosaico + epitaxia lateral y superficial → ≥ semillas de 8 pulgadas

Este enfoque es ahora fundamental para el desarrollo de obleas de SiC de 200 mm.5. Parámetros críticos de crecimiento de SiC5.1 Gradiente de temperatura

Debido a que la medición directa dentro del crisol es imposible, se utilizan herramientas de simulación numérica (por ejemplo, Virtual Reactor) para estimar los campos de temperatura internos. Los gradientes axial y radial determinan la dirección del transporte de vapor, la sobresaturación y la morfología del cristal.

5.2 Velocidad de crecimiento

La velocidad de crecimiento de SiC aumenta cuando:

La temperatura aumenta

El gradiente de temperatura fuente–semilla aumenta

• La presión de la cámara disminuye

• La distancia fuente–semilla disminuye

• Sin embargo, las velocidades de crecimiento excesivas pueden inducir defectos, inestabilidad de politipos y tensión.

• 5.3 Química del vapor

La relación C/Si es el parámetro termodinámico más crítico:

C/Si bajo → favorece 3C-SiC

Vapor rico en carbono → estabiliza 4H-SiC

• La composición del gas, los dopantes y la presión del gas inerte determinan conjuntamente la sobresaturación, el politipo y la uniformidad del dopaje.

• 6. Perspectivas

El crecimiento moderno de cristales individuales de SiC es un problema de optimización multifísica, que involucra:

Pureza del polvo y tamaño de partícula

Diseño del crisol y la guía

• Orientación de la semilla y topología de la superficie

• Control dinámico de temperatura y presión

• Para aumentar las boules más allá de los 200 mm, las principales estrategias son la ampliación de la zona de crecimiento y las semillas en mosaico de gran área. Para mejorar la calidad del cristal, el enfoque se desplaza hacia la programación de presión-temperatura, el control de la química del vapor y la ingeniería de la fuente.

• A medida que los vehículos eléctricos, los módulos de potencia de IA y las redes de alto voltaje impulsan la demanda de SiC, el dominio de la física del crecimiento de cristales PVT seguirá siendo la principal ventaja competitiva en la industria mundial de semiconductores de banda ancha.