SiC晶體材料的主流生長(zhǎng)技術(shù)有物理氣相輸運(yùn)法、高溫溶液法和高溫化學(xué)氣相沉積法。 ?

SiC材料這幾年關(guān)注的人越來(lái)越多，逐漸從幕后走到了臺(tái)前，技術(shù)的進(jìn)步少不了那些研發(fā)SiC材料的科技工作者夜以繼日。 ? ? 在8年前，人們都還不太關(guān)注SiC材料時(shí)，一家公司已經(jīng)看到了這種材料的優(yōu)勢(shì)，并開始贊助賽車隊(duì)，并將車隊(duì)車輛上的IGBT+Si的FRD方案升級(jí)為IGBT+SiC的SBD方案，因此賽車的整車重量下降了2公斤，尺寸減小19%，對(duì)于高性能賽車來(lái)說(shuō)，對(duì)速度追求到了極致，車輛的每個(gè)零件毫不夸張的說(shuō)都要精確到克。在賽車性能和質(zhì)量都得到優(yōu)化的情況下，這次技術(shù)上的升級(jí)對(duì)賽車是質(zhì)的提升。 ? 就在SiC成功應(yīng)用的第二年，也就是2017年，賽車電控模塊再次進(jìn)行了升級(jí)，采用SiC的MOS+SiC，在這次技術(shù)升級(jí)后，賽車的整車重量在前期的基礎(chǔ)上又減少了6公斤，尺寸進(jìn)一步減小43%，可以說(shuō)這次的技術(shù)的升級(jí)，和傳統(tǒng)功率器件甩開了差距。

這次升級(jí)，不僅對(duì)整車重量進(jìn)行大幅度提升，車輛性能也同樣如此，車輛高壓控制也由原來(lái)的200KV提升到了220KV。SiC功率器件的成功應(yīng)用，直接讓整個(gè)行業(yè)開始關(guān)注SiC材料，SiC器件也逐漸從專業(yè)賽車上進(jìn)入到乘用車輛中。 ? 目前來(lái)看，在SiC晶體材料的生長(zhǎng)上主流技術(shù)是以下三種：物理氣相輸運(yùn)法、高溫溶液法和高溫化學(xué)氣相沉積法。

在講解技術(shù)之前，先舉個(gè)例子來(lái)通俗的理解這三種技術(shù)，比如我們?cè)诓耸袌?chǎng)買回一條魚，將魚做熟的方法大概是三種——蒸、煮、燉！生長(zhǎng)SiC晶體的辦法和這差不多，接下來(lái)我們來(lái)看看！

物理氣相輸運(yùn)法

第一種辦法叫物理氣相輸運(yùn)法，簡(jiǎn)稱PVT法，這種方法和做魚時(shí)的清蒸有點(diǎn)像，只是蒸SiC時(shí)，我們會(huì)把SiC粉末像水蒸氣一樣蒸揮發(fā)掉，SiC蒸汽在低溫處冷卻結(jié)晶。我們蒸魚時(shí)不會(huì)把魚蒸飛，不然就吃不上魚了。 ?

如果對(duì)這種方法進(jìn)行詳細(xì)一點(diǎn)的介紹，PVT生長(zhǎng)SiC是將SiC粉末放置在爐子的底端，給粉末加熱，當(dāng)溫度達(dá)到2000-2500℃，等粉末高溫分解成氣態(tài)，反應(yīng)方程式包含以下這些反應(yīng)：

SiC(s)= Si(g)+C(s)

2SiC(s) =Si(g) + SiC2(g)

2SiC(s) =C(s)+ Si2C(g)

在SiC結(jié)晶時(shí)的反應(yīng)包括以下幾步：

Si2C(g) +SiC2(g)=3SiC(s)

Si(g) + SiC2(g)=2SiC(s)

因?yàn)檎翦伒南露藴囟雀?，上端溫度低，蒸汽在上端冷卻凝結(jié)，沿著籽晶的方向生長(zhǎng)，最后形成SiC晶體。 ?

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? PVT設(shè)備因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)操作容易，是目前主流的生長(zhǎng)SiC晶體的方法，同時(shí)這種方法也有不足之處：

在SiC晶體的擴(kuò)徑生長(zhǎng)上比較困難，比如我們有了4英寸的晶體，想把晶體直徑擴(kuò)展到6英寸或者8英寸上，需要花費(fèi)的周期特別長(zhǎng)；

在晶體摻雜上優(yōu)勢(shì)不明顯。

高溫溶液法

第二種方法叫高溫溶液法，這種方法是借助助溶劑對(duì)C元素的溶解來(lái)實(shí)現(xiàn)。 ? ?

大家都知道溶劑在不同溫度下對(duì)溶質(zhì)的溶解能力不同。例如，我們倒一杯100℃的開水，放一些冰糖進(jìn)去，當(dāng)水溫逐漸冷卻下來(lái)時(shí)，可以看到杯底會(huì)析出冰糖，因?yàn)楦邷厮偷蜏厮畬?duì)冰糖的溶解能力不同。

在對(duì)SiC晶體進(jìn)行生長(zhǎng)時(shí)，溶劑采用的是金屬材質(zhì)Cr，雖然常溫下金屬是固體，但在高溫下金屬也會(huì)融化成液態(tài)，也就成了一種溶液。

在石墨坩堝中裝入SiC和Cr，Cr在這里如同一輛擺渡用的小船，把C元素從爐子的下面輸運(yùn)到爐子的上面去，在上端冷卻結(jié)晶形成晶體。

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? 高溫溶液法生長(zhǎng)SiC的優(yōu)勢(shì)是：

位錯(cuò)密度低，SiC襯底晶片中的位錯(cuò)問(wèn)題一直是制約SiC器件性能的關(guān)鍵；

易于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)徑；

可以獲得p型晶體。

同時(shí)，這種方法也有一些不足之處，包括助熔液在高溫下的升華、生長(zhǎng)晶體中雜質(zhì)濃度控制、 助熔液包裹、浮晶形成等。 ? ? ?

高溫化學(xué)氣相沉積法

第三種方法叫高溫化學(xué)氣相沉積法(High Temperature ChemicalVapor Deposition，HTCVD)，這種方法和前面兩種方法有個(gè)比較大的區(qū)別是SiC的原材料發(fā)生了變化，前面生長(zhǎng)SiC晶體時(shí)，原材料都選用的SiC粉末。而HTCVD所選用的SiC原材料是含有C元素和Si元素的有機(jī)氣體。 ?

HTCVD在生長(zhǎng)SiC晶體時(shí)，采用管道向爐子內(nèi)通入氣體，氣體在爐內(nèi)反應(yīng)生成SiC晶體。

? 目前HTCVD生長(zhǎng)SiC晶體還處于研發(fā)階段，由于這種工藝設(shè)備復(fù)雜，成本高目前不是生長(zhǎng)SiC晶體的主流技術(shù)。 ?

參考文獻(xiàn)：

(1)4H-SiC_JBS器件制備關(guān)鍵工藝研究[D]?卓文澤;

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(3)大尺寸碳化硅單晶生長(zhǎng)設(shè)備及溫控方法研究[D]?李鵬程;

(4)碳化硅晶體本征缺陷及其性能調(diào)控研究[D]?許庭翔;

(5)液相法碳化硅晶體生長(zhǎng)及其物性研究[D]?張澤盛. ?

審核編輯：黃飛

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