晶圆级立方碳化硅单晶生长取得新突破！

半导体前沿 2024-01-14 22:18

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第五届半导体湿电子化学品与电子气体论坛将于3月27-28日在无锡召开，详见后文

碳化硅(SiC)具有宽带隙、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高热导率等优异性能，在新能源汽车、光伏和5G通讯等领域具有重要的应用。与目前应用广泛的4H-SiC相比，立方SiC(3C-SiC)具有更高的载流子迁移率(2-4倍)、低的界面缺陷态密度(低1个数量级)和高的电子亲和势(3.7 eV)。利用3C-SiC制备场效应晶体管，可解决栅氧界面缺陷多导致的器件可靠性差等问题。但3C-SiC基晶体管进展缓慢，主要是缺乏单晶衬底。前期大量研究表明，3C-SiC在生长过程中很容易发生相变，已有的生长方法不能获得单一晶型的晶体。

根据经典晶体生长理论，对于光滑界面晶体，同质二维形核需要克服临界势垒，存在临界Gibbs自由能或过饱和度，而生长则可以在任意小的过饱和度下进行。对于异质形核，由于引入了新的固-固界面能，二维形核需克服更高的临界势垒。因此在相同过饱和度下，同质形核和生长在能量上明显优于异质形核和生长，使得后者很难发生。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的陈小龙团队提出了调控固-液界面能，在异质籽晶上较同质籽晶优先形核和生长的学术思想。主要包括：1)3C(111)面和4H(0001)面的晶格失配度小，固-固界面能很低；2)4H和3C体相Gibbs自由能的差别较小；3)如果通过调控熔体成份，使得3C(111)-熔体的界面能较4H(0001)-熔体的界面能足够低，二维形核以及后续生长的Gibbs自由能则对于3C相更有利。该团队自主设计、搭建了超高温熔体表面张力和固-液接触角测试设备，在高温下测量了不同成份熔体的表面张力，熔体与4H-SiC、3C-SiC的接触角，获得了4H-SiC、3C-SiC与高温熔体的固-液界面能的变化规律，验证了界面能调控的可行性。该团队利用高温液相法，实现了相同过饱和度条件下3C-SiC的Gibbs自由能更低的要求，抑制了生长过程中的相变，在国际上首次生长出了直径2-4英寸、厚度4-10mm、单一晶型的3C-SiC单晶，如图1和图2所示。

图1. 采用高温液相法，在六方碳化硅(4H-SiC)籽晶上实现了2-4英寸、厚度4-10 mm、立方碳化硅(3C-SiC)的异质形核和晶体稳定生长沿晶体厚度方向的Raman散射光谱测量结果表明，生长一开始，3C-SiC即在4H-SiC籽晶上形核、生长，两者共存区小于20 μm，见图2(a-b)，进一步证实了上述理论。(111)生长面的X射线摇摆曲线半高宽的平均值为30 arcsec，表明生长的3C-SiC具有高的结晶质量。3C-SiC单晶的室温电阻率只有0.58 mΩ·cm，为商业化4H-SiC晶片电阻率(15-28 mΩ·cm)的~1/40，有望降低器件的能量损耗。

图2. 3C-SiC晶型的确定。a) 在(111)生长面上随机选取20个点的Raman散射光谱图，插图为测试点在晶体上的位置分布图。b) 沿晶体厚度方向的Raman散射光谱图。c) 300 K测量的光致发光(PL)图谱。d) 高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)图。插图为沿[110]晶带轴的选区电子衍射(SAED)图晶圆级3C-SiC单晶的生长填补了国内外空白，使3C-SiC晶体的量产成为可能，也为开发性能优异的电力电子器件提供了新的契机。同时，异质籽晶上较同质籽晶优先形核和生长的机制拓展了传统的晶体生长理论。

相关成果以“High Quality and Wafer-Scale Cubic Silicon Carbide Single Crystals为题在Energy Environment Materials (2023, 0, e12678)上发表。博士研究生王国宾和盛达为共同第一作者，李辉副研究员和陈小龙研究员为共同通讯作者。王文军主任工程师和郭建刚研究员深度参与了本工作。相关成果已申请了国内发明专利和国际PCT专利：陈小龙，李辉，王国宾，盛达，王文军，郭建刚；用于制备3C-SiC单晶的方法；申请号：202310109001.9，PCT/CN2023/090284。以上工作得到了北京市科委、科技部、中国科学院、国家自然科学基金委、工信部等相关部门的大力支持。

来源：中科院物理所、半导体在线

论坛信息

会议名称：第五届半导体湿电子化学品与电子气体论坛

会议时间：2024年3月27-28日

会议地点：无锡

主办单位：亚化咨询

日程安排

3月26日

17:00~20:00 会前注册

3月27日

09:00~12:30 演讲报告

12:30~14:00 自助午餐与交流

14:00~17:30 演讲报告

17:30~19:30 招待晚宴

3月28日

09:00~17:00 工业参观

会议背景

高纯度湿电子化学品是晶圆制造过程中清洗、光刻、蚀刻等工艺流程的必备材料，也应用于硅片生产、后端封测环节。受市场影响，预计2023年半导体湿化学品市场规模为52亿美元，同比下降2%。整体市场有望在2024年反弹。

电子气体在半导体产业发展中不可或缺。近年来中国本土气体企业如派瑞特气、华特气体、南大光电等的部分产品逐步进入国内外先进晶圆厂中。预计电子特气市场在2023年收入将小幅收缩约2%，约67亿美元，2024年将恢复增长。

湿电子化学品与电子气体对纯度、杂质含量等参数要求极为苛刻，且种类繁多、认证严格，以往市场主要被海外企业占据，如欧美的巴斯夫、默克、空气化工以及日本的三菱、住友、大阳日酸等。目前国内企业处于快速发展阶段。

未来几年将是中国半导体制造产业高速发展期，传统晶圆厂的持续扩产、先进制程带动消耗量增长、第三代半导体项目加速建设以及国产保供替代诉求，使国内湿电子化学品与电子气体需求增速高于全球。半导体电子化学品及气体将迎来空前发展机遇。

第五届半导体湿电子化学品与电子气体论坛2024将于3月27-28日召开。会议由亚化咨询主办，多家国内外龙头企业重点参与。

会议主题

1.全球与中国半导体行业展望

2.全球与中国湿电子化学品与电子气体市场

3.海外进口与国内电子化学品市场的变化

4.碱性湿电子化学品在晶圆制造中的应用

5.酸性湿电子化学品的纯化技术及技术发展

6.半导体级双氧水在先进晶圆厂中的应用

7.电子前驱体材料市场趋势

8.半导体光刻配套试剂及气体

9.含氟电子特气生产及应用

10.半导体大宗气体、功能性湿化学品发展

11.湿电子化学品与电子气体先进技术与关键设备

12.半导体相关企业参观

参会费用

1人

团队报名（同一公司≥3人）

3.27 会议

3200元/人

2900元/人

3.28 参观

300元/人

赞助方案

项目	项目内容
主题演讲	25分钟主题演讲
主题演讲	参会名额
微信推送	“半导体前沿”微信公众号，企业介绍以及相关软文
会刊广告	研讨会会刊，彩色全页广告（尺寸A4）
资料入袋赞助	企业的宣传册放入会议包袋
现场展台	现场展示台，展示样品、资料，含两个参会名额
现场易拉宝	现场1个易拉宝展示
礼品赞助	印有赞助商logo的礼品赠送参会听众
茶歇赞助	冠名和赞助会议期间的茶歇
晚宴赞助	冠名和赞助会议的招待晚宴
Logo展示	背景墙 logo，会刊封面logo