中科院物理所陳小龍團(tuán)隊(duì)又一次公布他們?cè)赟iC方面的研發(fā)新成果：

4月18日，中科院物理所在期刊上發(fā)表了關(guān)于采用液相法生長(zhǎng)3C-SiC襯底的技術(shù)文獻(xiàn)。

文獻(xiàn)提到，該團(tuán)隊(duì)是通過在4H-SiC襯底上生長(zhǎng)3C-SiC單晶，技術(shù)成果超出了以往理論預(yù)期，通過這項(xiàng)技術(shù)，他們能夠持續(xù)穩(wěn)定地生長(zhǎng)高質(zhì)量和大尺寸的3C-SiC晶體——直徑為2~4英寸，厚度為4.0~10毫米。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，該技術(shù)拓寬了異質(zhì)晶體生長(zhǎng)的機(jī)制，并為3C-SiC晶體的大規(guī)模生產(chǎn)提供了可行的途徑，未來3C-SiC功率器件性能有望比目前主流的4H-SiC更好。

液相法生長(zhǎng)3C-SiC4英寸、10mm

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)生長(zhǎng)3C-SiC的液相TSSG長(zhǎng)晶設(shè)備，其生長(zhǎng)過程是這樣的：首先，在高溫石墨坩堝區(qū)域中溶解C粉；然后在對(duì)流作用下，將C粉從高溫區(qū)輸送到低溫區(qū)；最后在低溫籽晶上進(jìn)行3C-SiC結(jié)晶。

該技術(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)匯總?cè)缦拢壕A尺寸為2-4英寸、晶體厚度為4-10mm。

這種3C-SiC晶體的液相TSSG生長(zhǎng)模型示意圖如下：

質(zhì)量方面，經(jīng)過測(cè)量，所生長(zhǎng)的3C-SiC晶體（111）面半峰全寬（FWHM）為28.8至32.4弧秒，平均為30.0弧秒，整體晶圓非常均勻。

從3C-SiC的切片上看，典型的三角形凹坑大小約為5微米，可能來自螺紋位錯(cuò)（TSDs）和螺紋邊緣位錯(cuò)（TEDs）的密度分別約為4.3×104/cm2和13.9×104/cm2，并且沒有觀察到在3C-SiC中常見的雙定位邊界（DPBs）。

3C-SiC“閃光點(diǎn)”有哪些？

其實(shí)，業(yè)界很早就進(jìn)行3C-SiC的研發(fā)，在1987年左右，日本電工實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出第一款基于硅襯底的3C-SiC橫向MOSFET。

但是由于種種原因（下面展開講），3C-SiC“沉寂”了，發(fā)展速度遠(yuǎn)不如4H-SiC。但是最近幾年，3C-SiC塊材和硅基3C-SiC取得了巨大進(jìn)展，業(yè)界的關(guān)注度又重新回來了。

我們先來看看3C-SiC的優(yōu)勢(shì)。

目前，SiC材料已知的晶體結(jié)構(gòu)有250多種，主要類型有六方體（2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC）和立方體3C-SiC等。

實(shí)際上，如果從材料特性來看，相比4H-SiC晶型材料，3C-SiC在禁帶寬度、擊穿場(chǎng)強(qiáng)等各方面都處于劣勢(shì)，這也是為什么主流的商用器件都是在4H-SiC上制造的原因之一。但是，3C-SiC被認(rèn)為是“明日之星”，前景備受看好，這又是為什么？

首先是電子遷移率。

據(jù)報(bào)道，硅基3C-SiC MOSFET的n溝道遷移率范圍為100-370cm2/V·s。而橫向4H-SiC MOSFET通常為20-40cm2/V·s，溝槽器件為6-90 cm2/V·s。京都大學(xué)通過氮?dú)忖g化在A面上創(chuàng)建SiC MOSFET，將溝道遷移率提升到131cm2/V·s，但也低于硅基3C-SiC器件。

其次是可靠性。

目前，SiC MOSFET核心技術(shù)瓶頸集中在柵氧層界面質(zhì)量差，不僅溝道遷移率低，而且會(huì)影響閾值電壓穩(wěn)定性，柵極氧化物在高溫下還存在失效的弱點(diǎn)。而3C-SiC和絕緣氧化物柵之間的界面陷阱濃度低得多，有助于制造可靠和長(zhǎng)壽命的器件。

3C-SiC勢(shì)壘高度為3.7 eV，該值遠(yuǎn)大于硅和4H-SiC，因此在柵極驅(qū)動(dòng)電路漏電流相同時(shí)，3C-SiC MOSFET內(nèi)的電場(chǎng)比4H-SiC高兩到三倍。因此，3C-SiC 溝槽功率 MOSFET 的降額要求遠(yuǎn)沒有4H-SiC產(chǎn)品嚴(yán)格。

第三是加工。

4H-SiC和GaN的加工與傳統(tǒng)硅完全不同，更具挑戰(zhàn)性。相比之下，低能禁帶寬度的3C-SiC更接近硅，這在加工成器件時(shí)具有許多好處。3C-SiC難點(diǎn)在哪？液相法生長(zhǎng)有何意義？

前面提到，全球研究人員對(duì)3C-SiC進(jìn)行了幾十年的努力，但產(chǎn)業(yè)化仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。我們來看看3C-SiC的難點(diǎn)。

首先，3C-SiC晶體生長(zhǎng)較難。

目前，六方碳化硅（4H、6H）晶體的生長(zhǎng)技術(shù)已經(jīng)成熟，高質(zhì)量的襯底已經(jīng)完全商業(yè)化，但是體塊3C-SiC單晶的生長(zhǎng)依然滯后。

一是生長(zhǎng)方法不太合適，傳統(tǒng)PVT法是生長(zhǎng)4H-SiC和6H-SiC晶體的成熟技術(shù)，但不適用于生長(zhǎng)3C-SiC晶體，因?yàn)樵谒枰叩腟i/C比率，即使采用改良式密閉空間PVT方法，晶體厚度也非常有限，并不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

二是在實(shí)際生產(chǎn)中，3C-SiC并不穩(wěn)定，在高于1900-2000℃高溫下會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱絊iC多晶。正是如此，相較之下，4H-SiC更具商業(yè)可行性，相較于6H-SiC，4H-SiC還具有較高的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度和高電子遷移速率，成為了制作功率器件的首選。

其次，硅基3C-SiC薄膜問題多多。

體塊3C-SiC晶體生長(zhǎng)路不通，為此，大部分的研發(fā)都轉(zhuǎn)向了在硅襯底上進(jìn)行3C-SiC薄膜沉積，然后再加工成器件。但這種方式存在幾個(gè)問題需要克服。

一是會(huì)存在巨大的晶格失配（約19%）和熱膨脹失配（約8%），從而導(dǎo)致缺陷密度過高，大大惡化了器件的性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，在硅襯底上生長(zhǎng)的3C-SiC缺陷密度達(dá)到103-104cm-2。

盡管α-SiC在晶格參數(shù)、熱膨脹系數(shù)和化學(xué)相容性方面和3C-SiC匹配性非常好，是非常理想的制備3C-SiC的襯底。然而α-SiC/3C-SiC存在雙定位晶界（Double positioning boundaries，DPBs）結(jié)構(gòu)缺陷的問題，它與雜質(zhì)相互作用會(huì)導(dǎo)致肖特基接觸不良行為。因此，制備3C-SiC晶體的首要問題是減少α-SiC的DPBs。

二是硅基3C-SiC難以實(shí)現(xiàn)選擇性摻雜。高雜質(zhì)摻雜對(duì)于 3C-SiC 功率器件中的低歐姆接觸和薄層電阻是必要的。在1800 °C以下，SiC摻雜擴(kuò)散率通常較低，所以才需要離子注入，注入后采用高溫退火 (PIA) 來修復(fù)晶格損傷并將摻雜劑激活。SiC PIA需要極高的溫度，n型SiC通常高于1400 °C，p型需要更高的溫度 (>1600 °C)。而硅基3C-SiC的激活退火溫度通常被限制在 1412 °C（硅熔點(diǎn)）。

三是硅基3C-SiC器件加工的主要挑戰(zhàn)之一是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)整流接觸。硅基3C-SiC的肖特基勢(shì)壘高度(SBH) 實(shí)驗(yàn)值通常低于1eV，遠(yuǎn)低于肖特基-莫特理論值。

所以，相比硅基3C-SiC，體塊3C-SiC晶體更具潛在優(yōu)點(diǎn)，主要包括離子注入和金屬化等加工，而且單晶襯底還能夠通過調(diào)整外延層厚度來實(shí)現(xiàn)更多器件耐壓操作。

為此，據(jù)陳小龍團(tuán)隊(duì)的文獻(xiàn)介紹，他們改變思路，轉(zhuǎn)而采用TSSG液相法來生長(zhǎng)3C-SiC單晶，這主要是基于2個(gè)方面的考慮：

首先，與PVT法相比，TSSG方法可以更容易地調(diào)整SiC和熔體之間的界面能量（通過改變它們的化學(xué)成分）。

其次，該團(tuán)隊(duì)在2021年就已經(jīng)通過TSSG成功獲得大于4英寸的4H-SiC晶體（1700~1800℃）。而他們這次的研發(fā)工作，證明了TSSG策略是行之有效的——成功生長(zhǎng)了直徑4英寸、厚度4-10毫米的大尺寸3C-SiC晶體。

那么，假設(shè)未來液相法實(shí)現(xiàn)了3C-SiC單晶的大規(guī)模制造，會(huì)有哪些商業(yè)意義？

首先，碳化硅器件的制造成本能夠得到大幅降低，采用液相法理論上，晶體缺陷更少，根據(jù)中科院物理研究所研究員陳小龍此前的觀點(diǎn)，液相法生長(zhǎng)碳化硅的“最重要的一個(gè)好處就是晶體良率比較高，相當(dāng)于變相地降低了每一片的成本”。

與此同時(shí)，3C-SiC的加工難度與硅類似，可以減少加工成本。

其次，成本更低的3C-SiC，未來將對(duì)600V-1200V電壓段的功率器件市場(chǎng)產(chǎn)生巨大影響。

審核編輯 ：李倩