浅谈SiC晶体材料的主流生长技术

SiC晶体材料的主流生长技术有物理气相输运法、高温溶液法和高温化学气相沉积法。  

SiC材料这几年关注的人越来越多，逐渐从幕后走到了台前，技术的进步少不了那些研发SiC材料的科技工作者夜以继日。     在8年前，人们都还不太关注SiC材料时，一家公司已经看到了这种材料的优势，并开始赞助赛车队，并将车队车辆上的IGBT+Si的FRD方案升级为IGBT+SiC的SBD方案，因此赛车的整车重量下降了2公斤，尺寸减小19%，对于高性能赛车来说，对速度追求到了极致，车辆的每个零件毫不夸张的说都要精确到克。在赛车性能和质量都得到优化的情况下，这次技术上的升级对赛车是质的提升。   就在SiC成功应用的第二年，也就是2017年，赛车电控模块再次进行了升级，采用SiC的MOS+SiC，在这次技术升级后，赛车的整车重量在前期的基础上又减少了6公斤，尺寸进一步减小43%，可以说这次的技术的升级，和传统功率器件甩开了差距。

这次升级，不仅对整车重量进行大幅度提升，车辆性能也同样如此，车辆高压控制也由原来的200KV提升到了220KV。SiC功率器件的成功应用，直接让整个行业开始关注SiC材料，SiC器件也逐渐从专业赛车上进入到乘用车辆中。   目前来看，在SiC晶体材料的生长上主流技术是以下三种：物理气相输运法、高温溶液法和高温化学气相沉积法。

在讲解技术之前，先举个例子来通俗的理解这三种技术，比如我们在菜市场买回一条鱼，将鱼做熟的方法大概是三种——蒸、煮、炖！生长SiC晶体的办法和这差不多，接下来我们来看看！

物理气相输运法

第一种办法叫物理气相输运法，简称PVT法，这种方法和做鱼时的清蒸有点像，只是蒸SiC时，我们会把SiC粉末像水蒸气一样蒸挥发掉，SiC蒸汽在低温处冷却结晶。我们蒸鱼时不会把鱼蒸飞，不然就吃不上鱼了。  

如果对这种方法进行详细一点的介绍，PVT生长SiC是将SiC粉末放置在炉子的底端，给粉末加热，当温度达到2000-2500℃，等粉末高温分解成气态，反应方程式包含以下这些反应：

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

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

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

在SiC结晶时的反应包括以下几步：

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

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

因为蒸锅的下端温度高，上端温度低，蒸汽在上端冷却凝结，沿着籽晶的方向生长，最后形成SiC晶体。  

 

  PVT设备因为结构操作容易，是目前主流的生长SiC晶体的方法，同时这种方法也有不足之处：

在SiC晶体的扩径生长上比较困难，比如我们有了4英寸的晶体，想把晶体直径扩展到6英寸或者8英寸上，需要花费的周期特别长；

在晶体掺杂上优势不明显。

高温溶液法

第二种方法叫高温溶液法，这种方法是借助助溶剂对C元素的溶解来实现。    

大家都知道溶剂在不同温度下对溶质的溶解能力不同。例如，我们倒一杯100℃的开水，放一些冰糖进去，当水温逐渐冷却下来时，可以看到杯底会析出冰糖，因为高温水和低温水对冰糖的溶解能力不同。

在对SiC晶体进行生长时，溶剂采用的是金属材质Cr，虽然常温下金属是固体，但在高温下金属也会融化成液态，也就成了一种溶液。

在石墨坩埚中装入SiC和Cr，Cr在这里如同一辆摆渡用的小船，把C元素从炉子的下面输运到炉子的上面去，在上端冷却结晶形成晶体。

 

  高温溶液法生长SiC的优势是：

位错密度低，SiC衬底晶片中的位错问题一直是制约SiC器件性能的关键；

易于实现扩径；

可以获得p型晶体。

同时，这种方法也有一些不足之处，包括助熔液在高温下的升华、生长晶体中杂质浓度控制、 助熔液包裹、浮晶形成等。      

高温化学气相沉积法

第三种方法叫高温化学气相沉积法(High Temperature ChemicalVapor Deposition，HTCVD)，这种方法和前面两种方法有个比较大的区别是SiC的原材料发生了变化，前面生长SiC晶体时，原材料都选用的SiC粉末。而HTCVD所选用的SiC原材料是含有C元素和Si元素的有机气体。  

HTCVD在生长SiC晶体时，采用管道向炉子内通入气体，气体在炉内反应生成SiC晶体。

  目前HTCVD生长SiC晶体还处于研发阶段，由于这种工艺设备复杂，成本高目前不是生长SiC晶体的主流技术。  

参考文献：

(1)4H-SiC_JBS器件制备关键工艺研究[D] 卓文泽;

(2)槽型SiC_MOSFET关键工艺及器件研究[D] 张跃;

(3)大尺寸碳化硅单晶生长设备及温控方法研究[D] 李鹏程;

(4)碳化硅晶体本征缺陷及其性能调控研究[D] 许庭翔;

(5)液相法碳化硅晶体生长及其物性研究[D] 张泽盛.  

审核编辑：黄飞