作为第三代宽禁带半导体材料，SiC(碳化硅)具有优异的物理和电学特性，使其在功率半导体器件领域具有广泛的应用前景。然而，碳化硅单晶衬底的制备技术具有极高的技术壁垒，晶体生长过程需要在高温低压环境下进行，环境变量多，极大影响了碳化硅产业化应用。采用已经产业化的物理气相输运法(PVT)难以生长p型4H-SiC和立方SiC单晶。而液相法在p型4H-SiC和立方SiC单晶单晶生长就有独特的优势，为制作高频、高压、大功率IGBT器件和高可靠性、高稳定性、长寿命的MOSFET器件奠定材料基础。尽管液相法在产业化应用上仍面临一些技术难题，但随着市场需求的推动和技术的不断突破，液相法有望在未来成为一种重要的碳化硅单晶生长方法。
在2024世界传感器大会——车规级半导体产业发展大会上，中国科学院物理所副研究员李辉以“液相法生长碳化硅单晶”为主题，分享了液相法生长不同晶型SiC单晶，尤其是3C-SiC和p型4H-SiC单晶的解决方案以及技术应用前景。
碳化硅应用前景
无论是低压，还是中高压，功率器件都与我们的生活是密切相关，几乎所有的用电设备都需要通过功率器件来控制和管理电能，在新能源汽车、通信、工业自动化等诸多领域都有广泛应用。李辉表示，目前硅是应用最广泛的功率半导体材料，但第三代半导体碳化硅作为战略性电子信息材料，拥有更显著的物理性能优势，具有更高击穿电场 (Si的10倍)、更高饱和电子漂移速率 (Si的2倍)、更高热导率 (Si的3倍、GaAs的10倍)，而且在高温、高频和高耐压、小型化等方面表现出色。
李辉介绍，碳化硅制备的功率器件具有更大的优势，“它的阻断电压更高，器件的厚度大概是硅的1/10，而且正向导通电阻更低。因此， 在300V-4.5kV，SiC器件有望取代Si基器件，4.5 kV以上，SiC基器件具有绝对的优势。”她指出，新能源汽车是碳化硅重要的应用场景，也是碳化硅最主要的拉动力，推动了从半导体外延到器件全产业链的快速发展。
她非常看好碳化硅基功率器件的发展前景，特别是随着轨道交通和直流输电网的发展，未来碳化硅向着更高的功率密度、更大的阻断电压、更大的电流发展，需要发展新的碳化硅单晶，比如说P型的碳化硅单晶来制备IGBT器件。根据Yole预测数据，到2029年，碳化硅基功率器件的市场规模将超过100亿美元，2023年至2029年的年复合增长率约为25%。
碳化硅功率器件的产业链非常长，涉及上游碳化硅单晶和碳化硅外延，中游的芯片、器件、模块，以及下游的系统和应用。而在整个碳化硅功率器件的产业链中，碳化硅单晶的衬底和外延大概占据的成本是60%。因此，李辉指出，降低碳化硅单晶和外延的成本，是降低碳化硅整个功率器件成本非常重要的环节，也是提升碳化硅功率器件市场渗透率的前提。
SiC功率器件挑战
尽管SiC功率器件具有诸多技术优势，但其制备面临多方面的挑战。其中，SiC是一种硬材料，其生长速度慢且需要高温（超过2000摄氏度），导致生产周期长、成本高。此外，SiC衬底的加工过程复杂，容易出现各种缺陷。
目前，碳化硅衬底制备技术包括PVT法（物理气相传输法）、液相法和高温气相化学沉积法等。李辉表示，目前行业内大规模碳化硅单晶生长主要采用PVT法，但这种制备方法生产碳化硅单晶有很大的挑战性：一是碳化硅具有二百多种晶型，不同晶型之间自由能差异非常小，因此在PVT法生长碳化硅单晶过程中很容易发生相变，就会导致存在良率低的问题。此外，相对硅提拉单晶硅的生长速度，碳化硅单晶生长速度非常慢，导致碳化硅单晶衬底更加昂贵。
二是PVT法生长碳化硅单晶的温度高于2000摄氏度，导致无法精确的测温。“在这个生长系统中，就像是一个黑匣子，我们无法用直接的手段测试碳化硅的生长过程。这也是导致碳化硅单晶生长难度大的一个原因。”
三是原料非同成份升华，生长速率低。
四是PVT法也无法生长高质量的p-4H-SiC、3C-SiC单晶。
李辉指出，由于4H-SiC MOSFET存在可靠性、稳定性和低寿命等缺陷，导致目前中国在车规级主驱MOSFET器件的90%依赖进口。要想克服碳化硅功率器件缺陷，提升市场渗透率，可以从几个方面来着手：一是降低生长成本。
二是生长更大的晶体尺寸，使单片晶体尺寸上的芯片数量更高。这也是为何最近几年8英寸碳化硅单晶衬底出现快速发展的原因。
三是发展新型的加工技术，比如激光切割技术。
四是生产P-4H-碳化硅单晶，实现更高的阻断电压、更大电流。
五是从材料端，来改善MOSFET器件目前遇到的可靠性差、稳定性差、寿命低的问题。
液相法技术的应用前景
那么，为什么要发展液相法技术？李辉表示，生长n型的4H碳化硅单晶(新能源汽车等)，无法生长p型4H-SiC单晶和3C-SiC单晶。而p型4H-SiC单晶未来将是制备IGBT材料基础，将应用于高阻断电压、大电流的IGBT，比如轨道交通和智能电网等一些应用场景。而3C-SiC将解决4H-SiC及MOSFET器件的技术瓶颈。
她也介绍，“从成本、耗能等综合角度，高温液相法的成本会更低，预计比PVT生长方法降低30%。如果再加上原料回收，这个成本将会进一步降低。”此外，液相法生长碳化硅由于是一种接近于热力学平衡的生长方法，生长的晶体缺陷密度会更低，易于实现扩径、可以获得P型晶体。
李辉也介绍了中国科学院物理研究所在陈小龙老师的带领下，其在液相法生长碳化硅上的进展。与硅不同，碳化硅在加热到熔化之前就升华了。因此，合适的助溶剂体系是液相法生长碳化硅单晶的基础，主要有三方面的要求：一是大的溶C能力；二是液相区无第二相；三是合适的固-液界面能，来调控想要生长的是p型碳化硅单晶还是3C碳化硅单晶。
研究团队通过相图计算和实验方法，寻找了一些合适的助溶剂体系，从而再进一步生长需要的碳化硅单晶。目前PVT法主要挑战在于不均匀、质量差，单一晶型控制难度大，电阻高，很难得到高质量的P-4H-SiC单晶。因此，李辉研究团队采用液相法来生产P-4H-SiC单晶，研究了影响生长速率的关键因素——界面能，通过优化生长技术参数，获得了无孔洞缺陷高质量晶体，电阻率为0.1 Ω·cm，也无巨台阶聚并。
李辉介绍，该研究团队最近又利用液相法生长了6英寸和8英寸的P-4H-SiC单晶。其中，
8英寸的P-4H-SiC单晶的厚度达到8毫米。“我们与北京晶格领域共同来研发，已经实现了P型6英寸4H-碳化硅单晶小批量的销售。我们对它的缺陷进行了研究，可以发现液相法生长的缺陷尺寸是PVT法生长的碳化硅单晶尺寸1/10。”
在3C-SiC生长上，中国科学院物理研究所通过高温液相法，在国际上首次获得了3C-SiC单晶，实现了从0到1的突破。她表示，“我们前期通过调控助溶剂的组成和配比，实现固-液界面能调控，从而在国际上首次生长出来了2到6英寸的3C碳化硅单晶，没有相变，而且晶体质量是非常高的。”
李辉也表示，通过一系列的研究表明，液相法在生长P型4H-SiC单晶和3C-SiC单晶上具有很明显的优势。随着技术的不断发展，特别是国内中国科学院物理研究所、北京晶格领域半导体有限公司、山东天岳、眉山博雅、常州臻晶半导体、连城数控、杭州科创中心、云南大学、天津理工大学等科研机构、企业参与到液相法生长碳化硅单晶的研究，P型4H-SiC单晶和3C-SiC也会逐渐成熟起来。
文章来源：广东省半导体行业协会
