中國(guó)粉體網(wǎng)訊 目前，用于SiC晶體生長(zhǎng)的主要技術(shù)包括物理氣相輸運(yùn)（PVT）法、高溫化學(xué)氣相沉積（ HTCVD）法，以及頂部籽晶溶液生長(zhǎng)（TSSG）法。其中，PVT法作為現(xiàn)階段發(fā)展最為成熟、應(yīng)用最廣且商業(yè)化程度最高的SiC單晶制備技術(shù)，已基本實(shí)現(xiàn)4~6英寸SiC襯底批量化制備，襯底市場(chǎng)呈現(xiàn)美日歐三足鼎立的局面。
2015 年，美國(guó)Wolfspeed公司率先采用PVT法成功獲得 8英寸SiC單晶襯底，之后在美國(guó)紐約州莫霍克谷建立了全球首座、最大且唯一的8英寸晶圓廠，并于2023年向中國(guó)終端客戶批量出貨SiC MOSFET。截至2023年10月，全球已有26家企業(yè)或機(jī)構(gòu)成功研制出8英寸SiC單晶襯底并計(jì)劃在2~3年內(nèi)形成小批量供貨能力，這標(biāo)志著SiC晶圓已邁進(jìn)“8英寸時(shí)代”。但受限于該技術(shù)特點(diǎn)，利用PVT法制備SiC晶體仍面臨許多關(guān)鍵技術(shù)問題，包括晶體內(nèi)部應(yīng)力集中、缺陷繼承或增殖能力強(qiáng)、位錯(cuò)密度高、擴(kuò)徑技術(shù)難度大，以及難以實(shí)現(xiàn)p型均勻高摻雜等，進(jìn)而導(dǎo)致高品質(zhì)SiC單晶襯底制備良率偏低且成本居高不下。
HTCVD法是另外一種制備方法，該方法是利用Si源和C源氣體在2100℃左右的高溫環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成SiC的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)SiC單晶的生長(zhǎng)，該方法的一大優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)晶體的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)生長(zhǎng)，通過(guò)此方法已經(jīng)成功生長(zhǎng)了4英寸和6英寸的SiC單晶，生長(zhǎng)速率可高達(dá)2~3 mm/h。但HTCVD 不僅與 PVT 法一樣需要高的生長(zhǎng)溫度，所使用的生長(zhǎng)設(shè)備和高純氣體價(jià)格不菲，本質(zhì)上是高配置的CVD，進(jìn)而導(dǎo)致商業(yè)化進(jìn)程比較緩慢，目前主要用來(lái)制備半絕緣型SiC襯底。
與氣相法不同的是，TSSG法可以在更為溫和的生長(zhǎng)環(huán)境下制備SiC晶體，同時(shí)還具有工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)控、連續(xù)擴(kuò)徑生長(zhǎng)及p型均勻高摻雜等技術(shù)特點(diǎn)，目前已成為極具競(jìng)爭(zhēng)力的低成本、高質(zhì)量 SiC襯底創(chuàng)新技術(shù)之一，晶體尺寸已突破6英寸。盡管 TSSG 法在制備SiC晶體方面優(yōu)勢(shì)顯著，但也存在較高的技術(shù)壁壘，主要體現(xiàn)在所需調(diào)控的工藝參數(shù)繁雜且任何不恰當(dāng)?shù)膮?shù)選擇都可能破壞長(zhǎng)晶過(guò)程中的動(dòng)態(tài)平衡并引發(fā)嚴(yán)重的宏觀缺陷。中國(guó)科學(xué)院物理研究所陳小龍團(tuán)隊(duì)利用TSSG法在半絕緣型4H-SiC籽晶（0001）面上通過(guò)調(diào)控N2分壓成功獲得不同規(guī)格的高質(zhì)量、晶圓級(jí)3C-SiC單晶，該技術(shù)拓寬了異質(zhì)晶體生長(zhǎng)的機(jī)制，為大規(guī)模生產(chǎn)3C-SiC晶體提供了可行的途徑，此外，北京大學(xué)、清華大學(xué)、天津理工大學(xué)、武漢大學(xué)、眉山博雅、晶格領(lǐng)域、常州臻晶、北京青禾、浙大科創(chuàng)中心等單位也在積極開展相關(guān)研究工作。
2024年4月25日，中國(guó)粉體網(wǎng)將在江蘇蘇州舉辦“第三屆半導(dǎo)體行業(yè)用陶瓷材料技術(shù)研討會(huì)暨第三代半導(dǎo)體SiC晶體生長(zhǎng)技術(shù)交流會(huì)”，屆時(shí)，天津理工大學(xué)功能晶體研究院副院長(zhǎng)徐永寬將帶來(lái)《碳化硅單晶生長(zhǎng)方法及面臨的挑戰(zhàn)》，報(bào)告將分別對(duì)PVT法、TSSG法、HTCVD法等碳化硅單晶生長(zhǎng)方法的原理、特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，分析各種生長(zhǎng)方法面臨的問題，并從單晶生長(zhǎng)工藝角度提出了對(duì)單晶生長(zhǎng)設(shè)備和關(guān)鍵原輔材料的需求。最后簡(jiǎn)單分享其近期的研究工作進(jìn)展。
專家簡(jiǎn)介
徐永寬，天津理工大學(xué)功能晶體研究院副院長(zhǎng)，曾任中國(guó)電科第四十六所研發(fā)部主任，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司新型半導(dǎo)體晶體材料技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，天津市“131”創(chuàng)新型人才第一層次人選。
從事半導(dǎo)體材料研究二十多年，在多種半導(dǎo)體單晶生長(zhǎng)、單晶加工、外延生長(zhǎng)及半導(dǎo)體單晶設(shè)備設(shè)計(jì)制造等方面均有實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，在寬禁帶半導(dǎo)體單晶特別的碳化硅單晶生長(zhǎng)方面有較深入研究。先后主持和參與科研項(xiàng)目30多項(xiàng)，其中包括碳化硅單晶方面的重大專項(xiàng)項(xiàng)目和氮化鎵單晶方面的863項(xiàng)目。申請(qǐng)發(fā)明專利及實(shí)用新型專利申請(qǐng)100多項(xiàng)。獲省部級(jí)科技二等獎(jiǎng)3項(xiàng)，三等獎(jiǎng)4項(xiàng)。
來(lái)源：
顧鵬等：頂部籽晶溶液法生長(zhǎng)碳化硅單晶及關(guān)鍵問題研究進(jìn)展
粉體網(wǎng)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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