【光电集成】碳化硅（SiC）的生长技术

今日光电 2025-01-23 18:01

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高质量且低缺陷的 SiC 晶体，对于制备 SiC 功率半导体器件起着至关重要的作用。当下，在 SiC 晶体生长领域，比较主流的方法包含 PVT 法（物理气相传输法）、液相法以及高温 CVD 法等。接下来，就让我们一同深入了解这三种 SiC 晶体生长方法以及它们各自的优缺点。

在常压环境下，并不存在 Si 与 C 化学计量比为 1:1 的液相 SiC。所以，那些常用于硅晶体生长、以融液作为原料的常规方法，没办法应用到 SiC 块状晶体的生长过程中。而升华法（也就是 PVT 法）便成为了可行之选。具体操作时，要先把作为原料的 SiC 粉末以及作为籽晶的 SiC 衬底放置在石墨坩埚内，然后设定温度梯度，让 SiC 粉末那一侧的温度稍高一些，接着将整体温度维持在 2000℃至 2500℃这个区间。如今所运用的 SiC 籽晶升华法也被称作改良 Lely 法，在 SiC 衬底的生产方面应用十分广泛。

我们可以通过上图（升华法制备 SiC 块状单晶生长示意图）来直观地了解改良 Lely 法的 SiC 晶体生长情况。当石墨坩埚被加热到 2000℃以上时，其中的 SiC 粉末会升华为 Si2C、SiC2、Si 等分子形态，随后这些分子会被输送至籽晶表面。所提供的原子会在籽晶表面移动，并被引导至合适的位置形成晶体，最终实现 SiC 块状单晶的生长。在这个过程中，内部的惰性气氛通常采用低压氩气，倘若要进行 n 型掺杂的话，还需要加入氮气。

虽说升华法目前在 SiC 单晶的制备方面应用广泛，不过与那些以融液作为原料来生长 Si 单晶的方法相比，它存在着生长速度偏慢的问题。而且，尽管其晶体品质在不断改进，但依旧存在晶体中含有较多位错等不足之处。

除了升华法外，还有通过溶液的液相生长法以及气相生长高温 CVD 法等途径，来尝试制备 SiC 块状单晶。从上图（用于 SiC 块状晶体制备的液相生长法示意图）中，我们可以清晰地看到 SiC 单晶液相生长法的相关情况。

就液相生长法而言，碳在硅溶剂中的溶解度是非常低的。为此，人们会在溶剂中添加诸如 Ti、Cr 等多种元素，以此来提高碳的溶解度。碳由石墨坩埚进行供给，而 SiC 单晶则会在温度稍低一些的籽晶表面生长起来。其生长温度一般设定在 1500℃至 2000℃之间，相较于升华法的温度要低一些。据相关报道，其生长速度能够达到数百 μm/h 左右。

SiC 液相生长法有着独特的优势，当沿着 [0001] 方向生长晶体时，它能够把沿 [0001] 方向延伸的位错弯曲至垂直方向，进而将这些位错从侧壁清扫至晶体外部。要知道，沿 [0001] 方向延伸的螺旋位错在现有的 SiC 晶体中是高密度存在的，并且还是器件漏电流产生的源头。采用液相生长法制备的 SiC 晶体，其螺旋位错的密度能够大幅降低。当然，溶液生长法也面临着一些挑战，比如怎样进一步提高生长速度、怎样延长所生长晶体的长度以及如何改善晶体的表面形态等问题，都亟待解决。

高温 CVD 法生长 SiC 单晶，是在低压氢气气氛中进行的，它以 SiH4 作为 Si 原料，以 C3H8 作为 C 原料，在保持高温（通常在 2000℃以上）的 SiC 衬底表面来生长单晶 SiC 层。被导入生长炉的原料气体，会在被热壁包围的热分解区域分解成 SiC2、Si2C 等分子，之后这些分子被输送到籽晶表面，从而实现单晶 SiC 的生长。

从上图（高温 CVD 法示意图）中能更直观地知晓这一过程。高温 CVD 法有着诸多优点，例如可以使用高纯度的原料气体，而且通过对气体流量进行控制，能够精准地把控气相中的 C/Si 比率，要知道这可是影响缺陷密度的关键生长参数。在 SiC 的块状生长方面，它还能实现相对较快的生长速度，甚至可以达到 1mm/h 以上。不过，该方法也存在缺点，像是反应生成物会大量附着在生长炉内以及排气管道上，这给设备的维护工作带来了极大的负担。另外，气体中的气相反应会生成颗粒，这些颗粒有可能会作为异物被掺入到晶体之中。

尽管如此，高温 CVD 法作为一种制备高质量 SiC 块状晶体的方法，有着广阔的发展前景，所以相关人员正在不断地对其进行持续开发，力求实现比升华法更低的成本、更高的生产率以及更低的位错密度。

此外，值得一提的是 RAF（Repeated A-Face）法，它是利用升华法来制备 SiC 块状单晶且能减少缺陷的一种方法。在 RAF 法的操作过程中，先是从沿 [0001] 方向生长的晶体里切出与 [0001] 方向垂直的籽晶，然后在这个籽晶上生长 SiC 单晶。接着，再从这个生长方向上切出与之垂直的籽晶，继续让 SiC 单晶生长。通过不断重复这样的循环操作，就能把位错从晶体中清扫出去，进而获得缺陷较少的 SiC 块状单晶。采用 RAF 法制备出的 SiC 单晶，其位错密度相较于普通的要低 1 至 2 个数量级呢。

来源：晶格半导体