SiC碳化硅单晶的生长原理

碳化硅单晶衬底材料（Silicon Carbide Single Crystal Substrate Materials，以下简称SiC衬底）也是晶体材料的一种，属于宽禁带半导体材料，具有耐高压、耐高温、高频、低损耗等优势，是制备大功率电力电子器件以及微波射频器件的基础性材料。

SiC的晶体结构

SiC单晶是由Si和C两种元素按照1:1化学计量比组成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料，硬度仅次于金刚石。


C原子和Si原子都有4个价电子，可以形成4个共价键，组成SiC基本结构单元——Si-C四面体，Si原子和C原子的配位数都是4，即每个C原子周围都有4个Si原子，每个Si原子周围都有4个C原子。


SiC衬底作为一种晶体材料，也具有原子层周期性堆垛的特性。Si-C双原子层沿着[0001]方向进行堆垛，由于层与层之间的键能差异小，原子层之间容易产生不同的连接方式，这就导致SiC具有较多种类的晶型。常见晶型有2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC等。原子层间的排列方式不同，使得组成原子的占位不同，2H晶型中原子全为六方位。而3C晶型中的原子全为立方位。不同占位比会影响晶体的禁带宽度以及载流子性能。随着六方位占比增加，禁带宽度逐渐增大，从3C晶型禁带宽度的2.4eV到2H晶型的3.2eV。








其中，按照“ABCB”顺序进行堆垛的结构称为4H晶型。虽然不同晶型的SiC晶体具有相同的化学成分，但是它们的物理性质，特别是禁带宽度、载流子迁移率等特性有较大的差别。从理论上来看，2H晶型全为六方堆积方式——禁带宽度最大，应该最适合作为大功率器件的制作材料。但是由下面相图，可以看出其制备条件在实际操作过程中难以实现制造。因此在现实情境下，选择了4H晶型。其在制造和各方面的性能更适合半导体领域的应用。








上图也可以看出4H晶型在相图中的面积并不大，因此制造的难度系数也是非常高的。生长温度、压力等多种因素都会影响SiC衬底的晶型稳定性，因此想要获得高质量、晶型均一的单晶材料，在制备过程中必须精确控制如生长温度、生长压力、生长速度等多种工艺参数。

SiC制备方法：物理气相升华法（PVT法）

目前SiC晶体的生长方法主要有物理气相传输法(Physical Vapor Transport Method, PVT法)、高温化学气相沉积法(High Temperature Chemical Vapor Deposition, HTCVD法)、液相法(Liquid Phase Method)等。其中，PVT法是已发展较为成熟，更适用于产业化批量生产的方法。









所谓PVT法，是指将SiC籽晶放置在坩埚顶部，将SiC粉料作为原料放置在坩埚底部，在高温低压的密闭环境下，SiC粉料升华，并在温度梯度和浓度差的作用下向上传输至籽晶附近，达到过饱和状态后再结晶的一种方法。该方法可以实现SiC晶体尺寸和特定晶型的可控生长。








然而，使用PVT法生长SiC晶体需要在长时间的生长过程中，始终维持适宜的生长条件，否则会导致晶格紊乱，从而影响晶体的质量。但SiC晶体的生长是在密闭空间内完成的，有效的监控手段少，变量多，因此工艺控制的难度较高。

单一晶型稳定生长的主要机制：台阶流动生长模式

在PVT法生长SiC晶体的过程中，台阶流动生长模式（Step Flow Growth）被认为是单一晶型稳定生长的主要机制。
气化后的Si原子和C原子会优先在kink点位置与晶体表面原子成键，在此处成核生长，从而使得各个台阶平行向前流动。当晶体表面产生台阶宽度远远超过吸附原子的扩散自由程时，大量吸附原子就可能发生团聚，形成的二维岛状生长模式会破坏台阶流动生长模式，导致4H晶型结构信息丢失，从而产生多型缺陷。因此，工艺参数的调节要实现对表面台阶结构的调控，以此抑制多型缺陷的产生，达到获得单一晶型的目的，最终制备出高品质的晶体。






当然，制备高品质的SiC衬底，晶体生长只是第一步，产品最终达到使用要求前，还需要经过切割、研磨、倒角、抛光、清洗、检测等一系列工序。SiC单晶作为一种硬脆材料，对于加工环节的技术要求也很高，各生产环节中产生的损伤都有可能具备一定的遗传性，传递到下一道工序，最终影响产品质量，因此高效加工SiC衬底的技术也备受产业、学术界关注。

转载微信公众号：半导体材料与工艺

声明：本文版权归原作者所有，转发仅为更大范围传播，若有异议请联系我们修改或删除：zhangkai@cgbtek.com