作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，SiC（碳化硅）憑借其優(yōu)異的物理和電學(xué)特性，尤其在高頻、高壓和大功率半導(dǎo)體器件中展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。SiC的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了電力電子、通信、汽車、能源等多個(gè)行業(yè)，是支撐現(xiàn)代高效、穩(wěn)定能源系統(tǒng)和未來(lái)智能電動(dòng)化發(fā)展不可或缺的基礎(chǔ)材料。然而，SiC單晶襯底的制備仍然面臨著高技術(shù)壁壘，尤其是在晶體生長(zhǎng)過程中，高溫低壓環(huán)境和多種環(huán)境變量的影響使得產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)展緩慢。
目前，物理氣相輸運(yùn)法（PVT）是產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中最為常見的SiC單晶生長(zhǎng)方法，但這一方法在生長(zhǎng)p型4H-SiC和立方SiC（3C-SiC）單晶方面存在顯著難度。PVT方法的局限性使得在特定應(yīng)用，如高頻、高壓、大功率IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）器件和高可靠性、長(zhǎng)壽命MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）器件的制備中，SiC材料的性能難以滿足市場(chǎng)需求。
在此背景下，液相法作為一種新興的SiC單晶生長(zhǎng)技術(shù)，顯現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。液相法尤其在生長(zhǎng)p型4H-SiC和3C-SiC單晶方面，能夠在較低溫度下實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量的晶體生長(zhǎng)，為制造高效能半導(dǎo)體器件奠定了基礎(chǔ)。與PVT法相比，液相法在生長(zhǎng)過程中可控制更多的因素，尤其在晶體的摻雜、晶格結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)速率上，展現(xiàn)出更大的靈活性和可調(diào)性，這為解決傳統(tǒng)SiC制備中的難題提供了有效途徑。
盡管液相法在產(chǎn)業(yè)化過程中仍面臨一定的技術(shù)挑戰(zhàn)，如晶體生長(zhǎng)的穩(wěn)定性、成本控制及設(shè)備要求等，但隨著市場(chǎng)需求的持續(xù)增長(zhǎng)以及技術(shù)研發(fā)的不斷突破，液相法在未來(lái)有望成為一種主流的SiC單晶生長(zhǎng)方法。特別是在高功率、低損耗、高穩(wěn)定性及長(zhǎng)壽命的電子器件制造中，液相法將為碳化硅產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。
近日，中國(guó)科學(xué)院物理所副研究員李輝以“液相法生長(zhǎng)碳化硅單晶”為主題，分享了液相法在不同晶型SiC單晶生長(zhǎng)中的應(yīng)用解決方案，尤其是在3C-SiC和p型4H-SiC單晶的制備方面取得的突破。這些成果不僅為碳化硅材料的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化提供了新的技術(shù)路線，也為車規(guī)級(jí)、工業(yè)級(jí)以及高端電子器件的開發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
碳化硅的顯著物理性能優(yōu)勢(shì)
李輝副研究員指出，盡管硅（Si）目前仍是應(yīng)用最廣泛的功率半導(dǎo)體材料，但碳化硅憑借其卓越的物理特性，逐漸在功率半導(dǎo)體器件中占據(jù)了一席之地。具體而言，碳化硅的主要優(yōu)勢(shì)包括：
1. 更高的擊穿電場(chǎng)：碳化硅的擊穿電場(chǎng)是硅的10倍，意味著它可以承受更高的電壓而不發(fā)生擊穿，這使得SiC器件在高壓應(yīng)用中具有顯著的競(jìng)爭(zhēng)力。
2. 更高的飽和電子漂移速率：SiC的電子漂移速率是硅的2倍，這意味著SiC能夠在更高的頻率下工作，從而提升器件的工作效率和響應(yīng)速度，特別適用于需要高速響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景。
3. 更高的熱導(dǎo)率：SiC的熱導(dǎo)率是硅的3倍，且是砷化鎵（GaAs）的10倍，這使得SiC材料能夠更加高效地散熱，適應(yīng)更高的功率密度，并顯著減少器件在高負(fù)載下的熱損耗。
4. 這些突出的物理性能，使得碳化硅在高溫、高頻、高耐壓和小型化等領(lǐng)域表現(xiàn)尤為出色，極大地提高了功率半導(dǎo)體器件的可靠性和整體效率。
碳化硅在功率器件中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
李輝副研究員進(jìn)一步指出，碳化硅制備的功率器件在多個(gè)方面展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)：
1. 更高的阻斷電壓：SiC功率器件的阻斷電壓顯著高于硅基器件。在300V至4.5kV范圍內(nèi)，SiC器件有望替代硅基器件，尤其在高壓應(yīng)用中，SiC器件能夠承受更高的電壓，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
2. 更高的開關(guān)頻率：碳化硅材料的高電子漂移速率使得SiC功率器件能夠在更高的頻率下開關(guān)，從而提高了系統(tǒng)的工作效率，減少了功率損耗。更高的開關(guān)頻率對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換和小型化電力電子設(shè)備至關(guān)重要。
3. 更強(qiáng)的耐高溫性能：SiC材料的高熱導(dǎo)率和良好的熱穩(wěn)定性使得其能夠在更高的溫度下穩(wěn)定工作，這對(duì)于一些惡劣環(huán)境下的應(yīng)用尤為重要，如航空、汽車和電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域。
4. 更高的功率密度：由于碳化硅的優(yōu)異散熱性能，SiC功率器件能夠支持更高的功率密度，從而推動(dòng)功率半導(dǎo)體器件的小型化，適應(yīng)緊湊型設(shè)計(jì)要求。這對(duì)于提升系統(tǒng)集成度和降低系統(tǒng)成本具有重要意義。
5. 這些應(yīng)用優(yōu)勢(shì)使得碳化硅在高壓、高頻、高溫、高功率密度等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)力，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、可再生能源、電力傳輸以及工業(yè)自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域。
SiC功率器件的挑戰(zhàn)
盡管SiC功率器件具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但其制備過程仍面臨多方面的挑戰(zhàn)。首先，SiC是一種硬材料，其生長(zhǎng)速度較慢且需要高溫（超過2000攝氏度）環(huán)境，這導(dǎo)致生產(chǎn)周期較長(zhǎng)、成本較高。此外，SiC襯底的加工過程相對(duì)復(fù)雜，容易產(chǎn)生各種缺陷，影響器件的性能。
目前，碳化硅襯底的制備技術(shù)包括物理氣相傳輸法（PVT法）、液相法和高溫氣相化學(xué)沉積法等。李輝副研究員表示，當(dāng)前行業(yè)中大規(guī)模碳化硅單晶生長(zhǎng)主要采用PVT法，但這種方法在生產(chǎn)碳化硅單晶時(shí)面臨許多挑戰(zhàn)：
1. 晶型多樣性導(dǎo)致的生長(zhǎng)難度：碳化硅有超過200種不同的晶型，而這些晶型之間自由能差異非常小，因此在PVT法生長(zhǎng)過程中，容易發(fā)生相變，導(dǎo)致良率較低。
2. 生長(zhǎng)速度慢且成本高：與硅材料相比，碳化硅單晶的生長(zhǎng)速度非常緩慢，這直接導(dǎo)致了SiC單晶襯底的成本居高不下。
3. 高溫環(huán)境下的測(cè)量困難：PVT法生長(zhǎng)碳化硅單晶的溫度通常高于2000攝氏度，這使得精確測(cè)量生長(zhǎng)過程中的溫度變得極為困難。李輝指出：“在這種生長(zhǎng)系統(tǒng)中，就像是一個(gè)黑匣子，我們無(wú)法用直接的手段監(jiān)測(cè)碳化硅的生長(zhǎng)過程。這也是碳化硅單晶生長(zhǎng)難度大的原因之一。”
4. 原料和生長(zhǎng)速率的局限性：PVT法在原料非同成分的升華過程中，生長(zhǎng)速率較低，進(jìn)一步限制了生產(chǎn)效率和成本的降低。
5. 難以生長(zhǎng)高質(zhì)量的特定晶型：PVT法還無(wú)法有效生長(zhǎng)高質(zhì)量的p-4H-SiC和3C-SiC單晶，這限制了某些特定應(yīng)用領(lǐng)域的需求。
李輝指出，由于4H-SiC MOSFET（絕緣體上金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）存在可靠性和性能方面的挑戰(zhàn)，未來(lái)的研究和技術(shù)發(fā)展需要克服這些制約因素，以提高SiC器件的性能和制造效率。
液相法技術(shù)的應(yīng)用前景
那么，為什么要發(fā)展液相法技術(shù)呢？李輝副研究員表示，盡管目前的技術(shù)能成功生長(zhǎng)n型4H碳化硅單晶，但依然無(wú)法有效生長(zhǎng)p型4H-SiC單晶和3C-SiC單晶。p型4H-SiC單晶未來(lái)將在IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）材料制備中發(fā)揮重要作用，廣泛應(yīng)用于高阻斷電壓、大電流的IGBT器件中，尤其適用于軌道交通、智能電網(wǎng)等高要求的應(yīng)用場(chǎng)景。而3C-SiC則有望突破4H-SiC和MOSFET器件的技術(shù)瓶頸，提供更高效的解決方案。
李輝進(jìn)一步介紹道：“從成本、能效等綜合角度來(lái)看，高溫液相法的成本將顯著低于傳統(tǒng)的PVT生長(zhǎng)方法，預(yù)計(jì)能夠降低約30%的成本。如果再加上原料回收技術(shù)的應(yīng)用，成本還將進(jìn)一步降低?！贝送?，液相法由于接近熱力學(xué)平衡的生長(zhǎng)方式，能夠顯著減少晶體缺陷密度，且便于實(shí)現(xiàn)晶體的擴(kuò)徑，從而有望獲得高質(zhì)量的P型碳化硅單晶。
李輝還分享了中國(guó)科學(xué)院物理研究所在陳小龍教授的帶領(lǐng)下，在液相法生長(zhǎng)碳化硅方面的最新進(jìn)展。與硅不同，碳化硅在加熱至熔化溫度之前就會(huì)發(fā)生升華，因此，選擇合適的助溶劑體系成為液相法生長(zhǎng)碳化硅單晶的關(guān)鍵。李輝指出，理想的助溶劑體系需滿足三個(gè)主要要求：一是具備較大的溶C能力；二是液相區(qū)內(nèi)無(wú)第二相的出現(xiàn)；三是具有合適的固-液界面能，以調(diào)控生長(zhǎng)的是p型碳化硅單晶還是3C碳化硅單晶。
研究團(tuán)隊(duì)通過相圖計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，已經(jīng)找到了幾種適合的助溶劑體系，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在液相法生長(zhǎng)中的有效性，推動(dòng)了液相法技術(shù)在碳化硅單晶制備中的應(yīng)用前景。
3C-SiC生長(zhǎng)的突破與應(yīng)用前景
在3C-SiC的生長(zhǎng)技術(shù)方面，中國(guó)科學(xué)院物理研究所通過高溫液相法，在國(guó)際上首次成功獲得了3C-SiC單晶，標(biāo)志著從0到1的重大突破。李輝副研究員指出：“我們前期通過調(diào)控助溶劑的組成和配比，成功實(shí)現(xiàn)了固-液界面能的精確調(diào)控，從而在國(guó)際上首次生長(zhǎng)出了2到6英寸的3C碳化硅單晶。這些晶體沒有發(fā)生相變，且晶體質(zhì)量非常高。”
李輝還表示，通過一系列的研究，液相法在生長(zhǎng)P型4H-SiC單晶和3C-SiC單晶方面展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是在國(guó)內(nèi)多個(gè)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的共同努力下，液相法生長(zhǎng)碳化硅單晶的技術(shù)將逐步成熟。
隨著P型4H-SiC單晶和3C-SiC單晶的不斷突破和發(fā)展，液相法將在未來(lái)的半導(dǎo)體材料制造領(lǐng)域中占據(jù)越來(lái)越重要的位置，為高性能功率器件的廣泛應(yīng)用提供更加可靠和經(jīng)濟(jì)的技術(shù)支持。
