綠碳化硅 中科院物理所：高品質(zhì)、晶圓級(jí)立方相碳化硅單晶生

通訊單位：中國(guó)科學(xué)院物理研究所，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)

01 全文速覽

中科院物理所陳小龍團(tuán)隊(duì)采用頂部籽晶溶液生長(zhǎng)技術(shù)(TSSG)成功生長(zhǎng)了高質(zhì)量、晶圓級(jí)3C-SiC單晶(直徑2~4英寸，厚度4.0~10.0毫米)，為大規(guī)模生產(chǎn)3C-SiC晶體提供了可行的途徑，為開(kāi)發(fā)具有比4H-SiC基更好性能的電力電子器件提供了新的契機(jī)。

02 背景介紹

碳化硅(SiC)是一種寬帶隙化合物半導(dǎo)體，具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)(約為Si的10倍)、高飽和電子漂移速率(約為Si的2倍)、高熱導(dǎo)率(Si的3倍、GaAs的10倍)等優(yōu)異性能。相比同類硅基器件，SiC器件具有耐高溫、耐高壓、高頻特性好、轉(zhuǎn)化效率高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車、軌道交通、高壓輸變電、光伏、5G通訊等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。SiC具有200多種晶型，商業(yè)化可用的主要為六方4H晶型，目前，大多數(shù)SiC基器件，如電動(dòng)汽車、光伏工業(yè)和其他應(yīng)用的核心器件金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，都是在六方4H-SiC上制造的。與4H-SiC相比，雖然3C-SiC帶隙更低，但是其載流子遷移率、熱傳導(dǎo)性能、機(jī)械性能都優(yōu)于4H-SiC，而且在絕緣氧化物柵極和3C-SiC界面處缺陷態(tài)密度更低，更有助于制造高壓、高可靠、長(zhǎng)壽命的器件。目前，3C-SiC基器件主要在Si襯底上制備綠碳化硅，Si與3C-SiC大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配導(dǎo)致大的缺陷密度，影響了3C-SiC基器件的性能。

盡管研究人員一直致力于晶圓級(jí)、高質(zhì)量3C-SiC單晶生長(zhǎng)的研究，但都沒(méi)有獲得大的突破。3C-SiC晶體的生長(zhǎng)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗谏L(zhǎng)過(guò)程中很容易轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌嘈?，因此，采用目前最成熟的物理氣相傳?PVT)法生長(zhǎng)大尺寸、高質(zhì)量的3C-SiC單晶襯底難度很大，限制了3C-SiC基器件的發(fā)展。

03 研究策略

陳小龍團(tuán)隊(duì)利用頂部籽晶溶液生長(zhǎng)法（TSSG）成功生長(zhǎng)了晶圓級(jí)、高質(zhì)量3C-SiC單晶，此生長(zhǎng)策略基于兩個(gè)主要考慮。首先，與PVT法中只存在SiC和氣相之間的界面相比，在TSSG法中，SiC和熔體之間的固液界面能可以更容易地通過(guò)改變助熔劑的性能來(lái)調(diào)控。通常認(rèn)為液相在改變界面能方面比氣相有更大的作用。因此，與4H-SiC相比，3C-SiC有可能獲得足夠低的界面能，使3C-SiC優(yōu)先成核并生長(zhǎng)，而抑制4H-SiC的成核和生長(zhǎng)。其次，在1700~1800 ℃，通過(guò)TSSG法，陳小龍團(tuán)隊(duì)已經(jīng)生長(zhǎng)了大于4英寸的4H-SiC晶體。這項(xiàng)工作證明了此策略的有效性，成功地生長(zhǎng)了直徑達(dá)4英寸，厚度超過(guò)4.0毫米的大塊3C-SiC單晶。

04圖文解析

圖1 3C-SiC單晶的TSSG生長(zhǎng)

a，TSSG法生長(zhǎng)3C-SiC的裝置示意圖。

b, TSSG法的三個(gè)基本生長(zhǎng)過(guò)程示意圖。

c, 提出了用TSSG法在4H-SiC籽晶上生長(zhǎng)3C-SiC的模型。

d-f，2-4英寸3C-SiC晶體的照片，2～4英寸的3C-SiC晶錠厚度在4.0 mm以上。

g, 3C-SiC單晶片。

要點(diǎn)：

① TSSG法生長(zhǎng)3C-SiC的原理。用高純石墨制成的坩堝作為容器和碳源，通過(guò)感應(yīng)加熱設(shè)定溫度梯度。生長(zhǎng)過(guò)程有三個(gè)步驟。1) 在坩堝的高溫區(qū)域溶解碳；2) 通過(guò)熱對(duì)流將C原子從坩堝底部的高溫區(qū)傳輸?shù)巾敳孔丫幍牡蜏貐^(qū)；3) 在低溫區(qū)C和Si原子在籽晶上結(jié)晶，形成3C-SiC。

② 結(jié)構(gòu)上，在3C-SiC中，以ABC的順序堆疊成一個(gè)晶體平面(111)；在4H-SiC中，以ABCB序列中堆疊成(0001)平面。3C-SiC在4H-SiC上的生長(zhǎng)模型(圖1c)綠碳化硅，描述了3C-SiC單晶在與熔體界面能足夠低的情況下，從優(yōu)先異質(zhì)形核到隨后生長(zhǎng)的相變可能路徑。

③制備得到2~4英寸3C-SiC晶體。在84 h長(zhǎng)的生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，厚度變化在4.0~10.0 mm之間，生長(zhǎng)速率約為50~113 μm/h，略低于PVT方法的150 μm/h。由于N摻雜引入了高載流子密度，1 mm厚的晶圓呈黑色。在強(qiáng)光下呈綠色(圖1g)。

圖2:初生3C-SiC晶體的鑒定和確認(rèn)

a, 在2英寸3C-SiC晶體上測(cè)量的20個(gè)點(diǎn)的拉曼光譜。插圖顯示了所有被測(cè)點(diǎn)的分布情況。

b,籽晶4H-SiC、TZ（過(guò)渡區(qū)）和3C-SiC的拉曼光譜。

c, 在300 K下測(cè)量的3C-SiC的PL圖。

d, 3C-SiC的高角度環(huán)形暗場(chǎng)-掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)圖。Si和C原子被疊加。插圖為沿[11-0]Z.A.（區(qū)域軸）測(cè)量的SAED。

要點(diǎn)：

① 在4H籽晶上生長(zhǎng)了大約20 μm厚的由3C和4H組成的過(guò)渡區(qū)(TZ)之后，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嗟?C-SiC。

② 523 nm處的光致發(fā)光(PL)(圖2c)與2.36eV的帶隙很好地對(duì)應(yīng)，證實(shí)了3C-SiC晶型。

③采用HAADF-STEM(圖2d)清晰地識(shí)別出以ABC順序排列的Si和C原子。

圖3 3C-SiC晶片結(jié)晶度和缺陷的表征

a, 對(duì)3C-SiC晶片進(jìn)行了X射線衍射(XRD)測(cè)試，結(jié)果表明生長(zhǎng)面為（111）面。

b, X射線（111）面搖擺曲線(XRC)，半高寬為28.8～32.4 arcsec。插圖顯示了9個(gè)被測(cè)點(diǎn)的分布情況。

c-f, 對(duì)3C-SiC晶片在KOH熔體中500 ℃刻蝕10 min后的OM（光學(xué)顯微鏡）圖像進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)3C-SiC晶片中存在SF（層錯(cuò)）、TSDs（螺位錯(cuò)）和TEDs（刃位錯(cuò)）缺陷。

g,h,由三層Si-C雙原子層組成的SF的HAADF-STEM圖。

要點(diǎn)：

① 晶體通過(guò)(111)晶面的疊加生長(zhǎng)，因?yàn)樵谏L(zhǎng)表面的θ-2θ掃描中只存在(111)和(222)衍射峰。

② 生長(zhǎng)(111)表面(圖3b)的X射線搖擺曲線的半高寬度(FWHM)范圍為：28.8-32.4 弧秒，平均值為30.0 弧秒。整個(gè)晶圓的半峰全寬非常均勻，表明生長(zhǎng)的晶體均勻性很高。

③ 晶圓上的缺陷特征。觀測(cè)到線狀、三角形坑和圓形三角形坑三種缺陷 (圖3,c-f)。其中，線狀是由于堆垛層錯(cuò)(SF)造成的 (圖3c和f)；三角形凹坑（尺寸約為5 μm）可能是螺位錯(cuò)(TSDs)造成的 (圖3c和d)。較小的圓形三角形凹坑是刃位錯(cuò)(TEDs)造成的(圖3c, e)。在3C-SiC晶圓中沒(méi)有觀察到在3C-SiC中非常常見(jiàn)的DPBs(Double position boundaries)。

圖4 - 熔體的接觸角和表面張力的原位測(cè)量

a,b, 熔體4的熔滴在（a）3C-SiC（111）表面和（b）半絕緣的4H-SiC（0001）表面的高溫接觸角。平均接觸角分別為40.38°±0.64°和45.55°±0.07°。

c, 通過(guò)靜滴注法測(cè)量熔體4的表面張力。

d, 熔體4的表面張力直方分布圖（上圖），3C-SiC（111）和4H-SiC（0001）平面上的高溫接觸角（下圖），熔體與4H-SiC（0001）和3C-SiC（111）表面的固-液界面能的差值（中間圖）。

測(cè)量條件：1850℃，pN2為0（熔體1）、10（熔體2）、15（熔體3）和20 kPa（熔體4），總壓力為50 kPa。

要點(diǎn)：

① 3C-SiC (111)和半絕緣4H-SiC (0001)晶體在pN2=20 kPa、1850 ℃條件下的接觸角分別為40.38°±0.64°和45.55°±0.07°。在相同溫度下測(cè)得的表面張力為:φmelt = 761.24±27.83 mN/m。

② 助熔劑的表面張力隨pN2的增大而減小，這歸因于熔體中溶解的N。助熔劑與3C-SiC (111)的固-液界面能低于助熔劑與4H-SiC (0001)的固-液界面能，且兩者的差值隨著pN2的增大而擴(kuò)大。當(dāng)pN2pN2應(yīng)保持在15~20 kPa。

表 1 3C-SiC單晶性能參數(shù)

05 結(jié)論

通過(guò)改變SiC與助熔劑之間的固-液界面能，可以生長(zhǎng)出晶圓級(jí)、高質(zhì)量的大塊3C-SiC晶體。更重要的是，這種TSSG路線提供了一種可靠的方法來(lái)穩(wěn)定生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶圓級(jí)3C-SiC，顯示了進(jìn)一步大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。生長(zhǎng)出來(lái)的晶體在高結(jié)晶度、高電導(dǎo)率和可用性方面非常適合用作同質(zhì)外延和器件制造的襯底。性能更好的同質(zhì)外延3C薄膜和功率器件有望被制造出來(lái)，從而進(jìn)一步推動(dòng)SiC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文報(bào)道的界面能的改變的方法還可以應(yīng)用于生長(zhǎng)其他難以生長(zhǎng)的單晶。

END

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