中國粉體網(wǎng)訊  春節(jié)期間，央視新聞報道了中科院物理研究所科研團(tuán)隊們正在探索用一種新的方法生長碳化硅晶體的新聞。據(jù)了解，與傳統(tǒng)方法不同，該4英寸的碳化硅晶體采用的是最新的液相法生長而成。

碳化硅單晶生長方法探索歷程

SiC半導(dǎo)體行業(yè)三個重點環(huán)節(jié)（襯底、外延和器件）中，襯底是SiC產(chǎn)業(yè)鏈的核心，在產(chǎn)業(yè)鏈中價值量占比最高，接近50%。襯底行業(yè)的發(fā)展也是未來SiC產(chǎn)業(yè)降本、大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的主要驅(qū)動力。

因此，一直以來，創(chuàng)新和完善碳化硅單晶襯底的制備方法一直是行業(yè)的研究熱點。

傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料如硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等，都采用各種熔體法生長，如常見的直拉法、液封直拉法、梯度冷凝法、布里奇曼法等。經(jīng)理論計算可知：化學(xué)計量比的SiC只有在壓力達(dá)到105atm，溫度達(dá)到3200℃時才能熔融。

如此苛刻的生長條件是極其不易達(dá)到的，上述這些方法不適合用來生長SiC單晶，需要另辟蹊徑。

SiC單晶技術(shù)研發(fā)歷史

早在1824年，瑞典科學(xué)家Berzelius在人工合成金剛石的過程中就觀察到了SiC的存在，但是因為天然的SiC單晶極少，當(dāng)時人們對SiC的性質(zhì)幾乎沒有什么了解。直到1885年，Acheson將石英砂與碳混合放入管式爐中2600℃反應(yīng)，首次生長出SiC晶體。

4H導(dǎo)電型SiC單晶襯底（來源：天岳先進(jìn)）

1959年，荷蘭Lely發(fā)明一種采用升華法生長高質(zhì)量單晶體的新方法。

突破性進(jìn)展發(fā)生在 1978年，前蘇聯(lián)科學(xué)家 Tairov 和 Tsvetkov 提出采用籽晶升華法來生長 SiC 單晶，即所謂的“改進(jìn)Lely法”或物理氣相傳輸法(PVT法)。

1981年，Matsunami發(fā)明了Si襯底上生長單晶SiC的工藝技術(shù)。

1991年，美國Cree公司用改進(jìn)的Lely法生產(chǎn)出6H-SiC晶片，并于1994年制備出4H-SiC晶片。1997年實現(xiàn)50mm(2英寸)6H-SiC單晶的市場化，2000年實現(xiàn)100mm(4英寸)6H-SiC單晶的市場化。2010年，Cree展示高品質(zhì)的150mm碳化硅基片。

PVT法的出現(xiàn)與逐漸成熟奠定了目前主流 SiC 晶體生長技術(shù)的基本框架。

PVT法已成主流，但仍困難重重

目前生長SiC單晶的方法主要有物理氣相傳輸法、高溫化學(xué)氣相沉積法、液相法等。其中物理氣相傳輸法是發(fā)展最成熟的，其具體生長過程為處于高溫處的SiC原料升華分解成氣相物質(zhì)(主要組分為Si，Si2C，SiC2)，這些氣相物質(zhì)輸運(yùn)到溫度較低的籽晶處，結(jié)晶生成SiC單晶。

PVT法生長SiC晶體生長原理示意圖

目前，商品化SiC單晶都是采用PVT法生長的。隨著PVT法制備技術(shù)的日漸成熟，近年來SiC單晶材料的質(zhì)量得到顯著提高，8英寸SiC單晶于2015年研發(fā)成功。

然而PVT法生長SiC晶體依然存在一些困難，例如：

①由于PVT法生長晶體只能在縱向進(jìn)行長厚，很難實現(xiàn)晶體的擴(kuò)徑。要獲得直徑更大的SiC晶片往往需要投入巨大的資金與精力，且隨著目前SiC晶片尺寸的不斷擴(kuò)大，這一難度只會逐漸遞增。

②碳化硅單晶生長設(shè)備設(shè)計與制造技術(shù)復(fù)雜。

③碳化硅粉料合成過程中的環(huán)境雜質(zhì)多，難以獲得高純度的粉料；作為反應(yīng)源的硅粉和碳粉反應(yīng)不完全易造成Si/C比失衡；碳化硅粉料合成后的晶型和顆粒粒度難控制。

④碳化硅單晶在2300°C以上高溫的密閉石墨腔室內(nèi)完成“固-氣-固”的轉(zhuǎn)化重結(jié)晶過程，生長周期長、控制難度大，易產(chǎn)生微管、包裹物等缺陷。

⑤市面上出售的PVT法生長的SiC襯底缺陷水平仍然偏高。位錯的存在會降低SiC器件的阻斷電壓，增大其漏電流，嚴(yán)重影響SiC器件的應(yīng)用。

⑥p型襯底技術(shù)的研發(fā)較為滯后。目前商業(yè)化的SiC器件產(chǎn)品依然主要是單極型器件。未來高壓雙極型器件(如IGBT、PIN等)將需要p型襯底。

因此，PVT法或許只是目前技術(shù)環(huán)境下的“權(quán)宜之計”。

液相法或?qū)㈩嵏矀鹘y(tǒng)

液相法生長SiC單晶最早是由德國Hofmann DH等人于1999年提出的。近些年，日本的一些機(jī)構(gòu)又對液相法生長碳化硅進(jìn)行了大量的研究改進(jìn)。選用石墨材料作為坩堝，同時將其作為碳源，在石墨坩堝中填充硅熔體。將SiC晶種放置在石墨坩堝頂部，剛好與熔體接觸，控制晶種溫度略低于熔體溫度。利用溫度梯度作為生長驅(qū)動力來實現(xiàn)晶體的生長。生長一般在惰性氣體氣氛（如Ar）中進(jìn)行，生長溫度在1750〜2100℃之間。為了提高晶體的生長速率，在生長過程中可以調(diào)節(jié)石墨坩堝和種子晶體的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。

承擔(dān)中科院物理所液相法長晶關(guān)鍵核心技術(shù)轉(zhuǎn)化的北京晶格領(lǐng)域半導(dǎo)體有限公司總經(jīng)理張澤盛在此前的行業(yè)會議上表示：“液相法生長大尺寸硅單晶碳的優(yōu)勢所在，液相法的優(yōu)勢首先是成本上的降低�！�

“一是生長原料是通過單體的硅和合金組成的，這樣就省去了傳統(tǒng)氣相法生長過程中制備高純碳化硅晶體粉末需要，原料相對來說可以節(jié)約一部分成本�！�

“二是液相法生長的溫度更低，節(jié)能上有一定優(yōu)勢。”

“三是液相法由于溫度低，整個過程相對來說比較穩(wěn)定，重復(fù)性和可靠性相對較好，良率有望得到提升�！�

“綜合下來，我們認(rèn)為降低30%左右的成本還是可以實現(xiàn)的�！�

小結(jié)

雖然液相法生長SiC晶體具有明顯優(yōu)勢，但對其研究還有待進(jìn)一步加深，一些重要問題亟待解決，如：助熔液在高溫下的升華、生長晶體中雜質(zhì)濃度控制、助熔液包裹、浮晶形成等。但隨著液相法生長SiC晶體技術(shù)的不斷成熟，未來其對整個SiC行業(yè)的推進(jìn)將表現(xiàn)出巨大潛力，很可能是SiC晶體生長的新突破點。

參考來源：

[1]彭同華等.寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅單晶生長和物性研究進(jìn)展

[2]彭燕等.半絕緣碳化硅單晶襯底的研究進(jìn)展

[3]賀東葛等.碳化硅半導(dǎo)體材料應(yīng)用及發(fā)展前景

[4]郭金笛.碳化硅基半導(dǎo)體材料硬度及熱導(dǎo)率研究

[5]中國粉體網(wǎng)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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