中國粉體網訊 春節期間，央視新聞報道了中科院物理研究所科研團隊們正在探索用一種新的方法生長碳化硅晶體的新聞。據了解，與傳統方法不同，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半導體行業三個重點環節（襯底、外延和器件）中，襯底是SiC產業鏈的核心，在產業鏈中價值量占比最高，接近50%。襯底行業的發展也是未來SiC產業降本、大規模產業化的主要驅動力。
因此，一直以來，創新和完善碳化硅單晶襯底的制備方法一直是行業的研究熱點。
傳統半導體材料如硅、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。經理論計算可知：化學計量比的SiC只有在壓力達到105atm，溫度達到3200℃時才能熔融。
如此苛刻的生長條件是極其不易達到的，上述這些方法不適合用來生長SiC單晶，需要另辟蹊徑。
SiC單晶技術研發歷史
早在1824年，瑞典科學家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，當時人們對SiC的性質幾乎沒有什么了解。直到1885年，Acheson將石英砂與碳混合放入管式爐中2600℃反應，首次生長出SiC晶體。
4H導電型SiC單晶襯底（來源：天岳先進）
1959年，荷蘭Lely發明一種采用升華法生長高質量單晶體的新方法。
突破性進展發生在 1978年，前蘇聯科學家 Tairov 和 Tsvetkov 提出采用籽晶升華法來生長 SiC 單晶，即所謂的“改進Lely法”或物理氣相傳輸法(PVT法)。
1981年，Matsunami發明了Si襯底上生長單晶SiC的工藝技術。
1991年，美國Cree公司用改進的Lely法生產出6H-SiC晶片，并于1994年制備出4H-SiC晶片。1997年實現50mm(2英寸)6H-SiC單晶的市場化，2000年實現100mm(4英寸)6H-SiC單晶的市場化。2010年，Cree展示高品質的150mm碳化硅基片。
PVT法的出現與逐漸成熟奠定了目前主流 SiC 晶體生長技術的基本框架。
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、高溫化學氣相沉積法、液相法等。其中物理氣相傳輸法是發展最成熟的，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(主要組分為Si，Si2C，SiC2)，這些氣相物質輸運到溫度較低的籽晶處，結晶生成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法制備技術的日漸成熟，近年來SiC單晶材料的質量得到顯著提高，8英寸SiC單晶于2015年研發成功。
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行長厚，很難實現晶體的擴徑。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晶片尺寸的不斷擴大，這一難度只會逐漸遞增。
②碳化硅單晶生長設備設計與制造技術復雜。
③碳化硅粉料合成過程中的環境雜質多，難以獲得高純度的粉料；作為反應源的硅粉和碳粉反應不完全易造成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完成“固-氣-固”的轉化重結晶過程，生長周期長、控制難度大，易產生微管、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，嚴重影響SiC器件的應用。
⑥p型襯底技術的研發較為滯后。目前商業化的SiC器件產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環境下的“權宜之計”。
液相法或將顛覆傳統
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，日本的一些機構又對液相法生長碳化硅進行了大量的研究改進。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動力來實現晶體的生長。生長一般在惰性氣體氣氛（如Ar）中進行，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節石墨坩堝和種子晶體的旋轉方向和旋轉速度。
承擔中科院物理所液相法長晶關鍵核心技術轉化的北京晶格領域半導體有限公司總經理張澤盛在此前的行業會議上表示：“液相法生長大尺寸硅單晶碳的優勢所在，液相法的優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約一部分成本。”
“二是液相法生長的溫度更低，節能上有一定優勢。”
“三是液相法由于溫度低，整個過程相對來說比較穩定，重復性和可靠性相對較好，良率有望得到提升。”
“綜合下來，我們認為降低30%左右的成本還是可以實現的。”
小結
雖然液相法生長SiC晶體具有明顯優勢，但對其研究還有待進一步加深，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晶體技術的不斷成熟，未來其對整個SiC行業的推進將表現出巨大潛力，很可能是SiC晶體生長的新突破點。
參考來源：
[1]彭同華等.寬禁帶半導體碳化硅單晶生長和物性研究進展
[2]彭燕等.半絕緣碳化硅單晶襯底的研究進展
[3]賀東葛等.碳化硅半導體材料應用及發展前景
[4]郭金笛.碳化硅基半導體材料硬度及熱導率研究
[5]中國粉體網
（中國粉體網編輯整理/山川）
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