中国粉体网讯 春节期间，央视新闻报道了中科院物理研究所科研团队们正在探索用一种新的方法生长碳化硅晶体的新闻。据了解，与传统方法不同，该4英寸的碳化硅晶体采用的是最新的液相法生长而成。
碳化硅单晶生长方法探索历程
SiC半导体行业三个重点环节（衬底、外延和器件）中，衬底是SiC产业链的核心，在产业链中价值量占比最高，接近50%。衬底行业的发展也是未来SiC产业降本、大规模产业化的主要驱动力。
因此，一直以来，创新和完善碳化硅单晶衬底的制备方法一直是行业的研究热点。
传统半导体材料如硅、锗、砷化镓、磷化铟等，都采用各种熔体法生长，如常见的直拉法、液封直拉法、梯度冷凝法、布里奇曼法等。经理论计算可知：化学计量比的SiC只有在压力达到105atm，温度达到3200℃时才能熔融。
如此苛刻的生长条件是极其不易达到的，上述这些方法不适合用来生长SiC单晶，需要另辟蹊径。
SiC单晶技术研发历史
早在1824年，瑞典科学家Berzelius在人工合成金刚石的过程中就观察到了SiC的存在，但是因为天然的SiC单晶极少，当时人们对SiC的性质几乎没有什么了解。直到1885年，Acheson将石英砂与碳混合放入管式炉中2600℃反应，首次生长出SiC晶体。
4H导电型SiC单晶衬底（来源：天岳先进）
1959年，荷兰Lely发明一种采用升华法生长高质量单晶体的新方法。
突破性进展发生在 1978年，前苏联科学家 Tairov 和 Tsvetkov 提出采用籽晶升华法来生长 SiC 单晶，即所谓的“改进Lely法”或物理气相传输法(PVT法)。
1981年，Matsunami发明了Si衬底上生长单晶SiC的工艺技术。
1991年，美国Cree公司用改进的Lely法生产出6H-SiC晶片，并于1994年制备出4H-SiC晶片。1997年实现50mm(2英寸)6H-SiC单晶的市场化，2000年实现100mm(4英寸)6H-SiC单晶的市场化。2010年，Cree展示高品质的150mm碳化硅基片。
PVT法的出现与逐渐成熟奠定了目前主流 SiC 晶体生长技术的基本框架。
PVT法已成主流，但仍困难重重
目前生长SiC单晶的方法主要有物理气相传输法、高温化学气相沉积法、液相法等。其中物理气相传输法是发展最成熟的，其具体生长过程为处于高温处的SiC原料升华分解成气相物质(主要组分为Si，Si2C，SiC2)，这些气相物质输运到温度较低的籽晶处，结晶生成SiC单晶。
PVT法生长SiC晶体生长原理示意图
目前，商品化SiC单晶都是采用PVT法生长的。随着PVT法制备技术的日渐成熟，近年来SiC单晶材料的质量得到显著提高，8英寸SiC单晶于2015年研发成功。
然而PVT法生长SiC晶体依然存在一些困难，例如：
①由于PVT法生长晶体只能在纵向进行长厚，很难实现晶体的扩径。要获得直径更大的SiC晶片往往需要投入巨大的资金与精力，且随着目前SiC晶片尺寸的不断扩大，这一难度只会逐渐递增。
②碳化硅单晶生长设备设计与制造技术复杂。
③碳化硅粉料合成过程中的环境杂质多，难以获得高纯度的粉料；作为反应源的硅粉和碳粉反应不完全易造成Si/C比失衡；碳化硅粉料合成后的晶型和颗粒粒度难控制。
④碳化硅单晶在2300°C以上高温的密闭石墨腔室内完成“固-气-固”的转化重结晶过程，生长周期长、控制难度大，易产生微管、包裹物等缺陷。
⑤市面上出售的PVT法生长的SiC衬底缺陷水平仍然偏高。位错的存在会降低SiC器件的阻断电压，增大其漏电流，严重影响SiC器件的应用。
⑥p型衬底技术的研发较为滞后。目前商业化的SiC器件产品依然主要是单极型器件。未来高压双极型器件(如IGBT、PIN等)将需要p型衬底。
因此，PVT法或许只是目前技术环境下的“权宜之计”。
液相法或将颠覆传统
液相法生长SiC单晶最早是由德国Hofmann DH等人于1999年提出的。近些年，日本的一些机构又对液相法生长碳化硅进行了大量的研究改进。选用石墨材料作为坩埚，同时将其作为碳源，在石墨坩埚中填充硅熔体。将SiC晶种放置在石墨坩埚顶部，刚好与熔体接触，控制晶种温度略低于熔体温度。利用温度梯度作为生长驱动力来实现晶体的生长。生长一般在惰性气体气氛（如Ar）中进行，生长温度在1750〜2100℃之间。为了提高晶体的生长速率，在生长过程中可以调节石墨坩埚和种子晶体的旋转方向和旋转速度。
承担中科院物理所液相法长晶关键核心技术转化的北京晶格领域半导体有限公司总经理张泽盛在此前的行业会议上表示：“液相法生长大尺寸硅单晶碳的优势所在，液相法的优势首先是成本上的降低。”
“一是生长原料是通过单体的硅和合金组成的，这样就省去了传统气相法生长过程中制备高纯碳化硅晶体粉末需要，原料相对来说可以节约一部分成本。”
“二是液相法生长的温度更低，节能上有一定优势。”
“三是液相法由于温度低，整个过程相对来说比较稳定，重复性和可靠性相对较好，良率有望得到提升。”
“综合下来，我们认为降低30%左右的成本还是可以实现的。”
小结
虽然液相法生长SiC晶体具有明显优势，但对其研究还有待进一步加深，一些重要问题亟待解决，如：助熔液在高温下的升华、生长晶体中杂质浓度控制、助熔液包裹、浮晶形成等。但随着液相法生长SiC晶体技术的不断成熟，未来其对整个SiC行业的推进将表现出巨大潜力，很可能是SiC晶体生长的新突破点。
参考来源：
[1]彭同华等.宽禁带半导体碳化硅单晶生长和物性研究进展
[2]彭燕等.半绝缘碳化硅单晶衬底的研究进展
[3]贺东葛等.碳化硅半导体材料应用及发展前景
[4]郭金笛.碳化硅基半导体材料硬度及热导率研究
[5]中国粉体网
（中国粉体网编辑整理/山川）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除
