一文详解SiC单晶生长技术

高质量低缺陷的SiC晶体是制备SiC功率半导体器件的关键，目前比较主流的生长方法有PVT法、液相法以及高温CVD法等，本文带你了解以上三种SiC晶体生长方法及其优缺点。

在常压下，不存在Si:C化学计量比等于1:1的液相SiC。因此，通常用于硅晶体生长的以融液作为原料的方法不能用于SiC块状晶体生长，而是采用升华法（PVT，物理气相传输法）。升华法是在石墨坩埚中放入作为原料的SiC粉末和作为籽晶的SiC衬底，并设置温度梯度，使SiC粉末侧的温度略高，然后将整体温度保持在2000～2500℃。现在使用的SiC籽晶升华法被称为改良Lely法，广泛用于SiC衬底的生产。

图1显示了改良Lely法的SiC晶体生长示意图。在加热到2000℃以上的石墨坩埚中，SiC粉末会升华为Si2C、SiC2、Si等分子状态，并被输送到籽晶表面。所提供的原子在籽晶表面移动，并被引入形成晶体的位置，从而生长出SiC块状单晶。内部惰性气氛通常使用低压氩气，并在n型掺杂时加入氮气。

图1：升华法制备SiC块状单晶生长示意图

升华法目前被广泛用于SiC单晶的制备，但与Si单晶生长用融液作为原料的方法相比，其生长速度较慢，虽然品质在逐渐改善，但晶体中仍含有许多位错等问题。

除了升华法以外，还有通过溶液的液相生长法、气相生长高温CVD法等方法来尝试制备SiC块状单晶。图2展示了SiC单晶的液相生长法示意图。

图2：用于SiC块状晶体制备的液相生长法

首先，关于液相生长法，碳在硅溶剂中的溶解度非常低。因此，在溶剂中通过添加Ti、Cr等多种元素来提高碳的溶解度。碳由石墨坩埚供给，SiC单晶在温度稍低的籽晶表面生长。生长温度通常设定在1500～2000℃，低于升华法，据报道生长速度可达数百μm/h左右。

SiC液相生长法的优点在于，当沿[0001]方向生长晶体时，可以将沿[0001]方向延伸的位错弯曲至垂直方向，从而将其从侧壁扫至晶体外部。沿[0001]方向延伸的螺旋位错在现有的SiC晶体中高密度存在，是器件漏电流的来源，使用液相生长法制备的SiC晶体中，螺旋位错的密度大幅降低。

溶液生长所面临的挑战包括提高生长速度、延长生长晶体的长度以及改善晶体的表面形态等。

高温CVD法生长SiC单晶是指在低压氢气气氛中，以SiH4作为Si原料，以C3H8作为C原料，在保持高温（通常为2000℃以上）的SiC衬底表面生长单晶SiC层的方法。被导入生长炉的原料气体，在被热壁包围的热分解区域，分解成SiC2、Si2C等分子，并输送到籽晶表面，从而生长出单晶SiC。

图3：高温CVD法示意图

高温CVD法的优点包括可以使用高纯度的原料气体，通过控制气体流量，可以精确控制气相中的C/Si比率，这是影响缺陷密度的重要生长参数，在SiC的块状生长中可实现相对较快的生长速度，达到1mm/h以上等。另一方面，高温CVD法的缺点包括反应生成物大量附着在生长炉内和排气管道上，给设备维护带来很大负担，以及气体中的气相反应生成颗粒，导致颗粒作为异物被掺入晶体中。

高温CVD法作为高质量SiC块状晶体的制备方法具有广阔的前景，因此正在不断持续开发这种方法，以实现比升华法更低的成本、更高的生产率和更低的位错密度。

此外，据报道，RAF（Repeated A-Face）法是利用升华法制备SiC块状单晶缺陷较少的方法。在RAF法中，从沿[0001]方向生长的晶体中切出与[0001]方向垂直的籽晶，然后在其上生长SiC单晶。接着，再切出与该生长方向垂直的籽晶，使SiC单晶生长。通过重复该循环，将位错扫出晶体，从而获得缺陷较少的SiC块状单晶。使用RAF法制备的SiC单晶，其位错密度比普通的低1～2个数量级。

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