TSSG生产碳化硅的优势

文章来源：晶格半导体

原文作者：晶格半导体

本文主要介绍TSSG生产碳化硅的优势。

消除微管缺陷

微管是SiC晶体中极为有害的缺陷，哪怕数量极少，也会对SiC器件的性能产生毁灭性打击。在传统物理气相传输法（PVT）生长SiC单晶时，微管极易形成，并且籽晶或衬底里原有的微管还会在后续生长中不断延伸，使得晶体质量难以提升。而TSSG法在生长SiC单晶过程中，展现出独特的优势——完全不会产生微管。众多研究成果有力地证明了这一点，1996年，Yakimova等发现液相外延SiC能完美覆盖衬底中原有的微管缺陷，从而获取无微管的高质量SiC单晶；1999年，Hofmann等通过光学显微镜观察进一步证实TSSG法生长SiC单晶时微管可被有效覆盖；Khan等借助X射线衍射、光学显微镜以及扫描电镜等多种先进检测手段，同样证实液相外延能有效修复衬底中的微管和其他宏观缺陷，大幅降低晶体中的位错密度；Ujihara等利用拉曼光谱也证实了液相外延生长的SiC可有效覆盖衬底中的固有缺陷，显著提升晶体质量。由此可见，TSSG法为获得高质量SiC单晶提供了坚实保障。

降低位错密度

位错也是影响SiC晶体性能的关键因素之一。在TSSG法生长SiC单晶的过程中，存在着奇妙的位错转变机制。日本名古屋大学Harada等给出的位错转变机理示意图显示，台阶流会促使籽晶中位错线原本垂直于生长台阶流方向的螺位错（TSDs）和刃位错（TEDs），转变为位错线与台阶流相平行的堆垛层错（SFs）。随着台阶流的持续生长，SF不断横向扩展，并最终终止于晶体的侧边缘。这一转变过程极大地减少了籽晶中位错在后续生长中的继承和延伸，使得晶体中的位错密度大幅降低，进而提升了SiC晶体的电学性能和机械性能，为SiC器件的高性能运行奠定了基础。

扩径优势显著

当前，SiC衬底及器件的高成本严重阻碍了SiC在更广泛领域的推广应用。增大单晶尺寸是提高器件生产效率、降低单个器件制造成本的重要途径，因此扩径技术成为全球研究者关注的焦点。PVT法作为目前生长SiC单晶的主流且唯一实现大规模商业化的方法，在扩径方面却困难重重。以行业巨头Cree公司为例，早在30多年前就成功生长出2英寸的SiC单晶，但直至今日，其8英寸SiC单晶衬底仍未实现商业化，这足以体现PVT法扩径技术面临的巨大挑战。

TSSG法在扩径方面具有得天独厚的优势。在生长过程中，通过调整提拉速度就能相对轻松地实现晶体的放肩扩径。丰田公司和住友公司的研究团队采用“弯月面高度控制”技术，进一步实现了人为精确调控晶体扩径。在TSSG法生长晶体时，由于表面张力的作用，晶体与高温溶液之间会形成具有一定高度的弯月面。研究人员通过调整籽晶的提拉速度来改变弯月面的高度，进而调控生长角θ。一般来说，提拉速度越小，弯月面高度越小，晶体的生长角θ值越大，可获得的晶体扩径速率就越大。不仅如此，扩径还能大幅度降低晶体中的位错密度。从相关研究团队给出的通过TSSG法扩径生长的SiC单晶及其中心区域和边缘扩径区域的反射X射线形貌照片可以清晰看到，晶体在籽晶正下方的中心区域位错密度较高，而在偏离籽晶正下方的边缘扩径区域几乎观察不到位错的存在，这是因为籽晶中的固有位错在生长过程中不会延伸到扩径区，使得扩径区中位错密度更低，为生产大尺寸、高质量的SiC单晶提供了可能。

生长过程灵活可控

晶体生长是一个动态且复杂的过程，对生长界面处状态的持续稳定调控对于保证晶体结晶质量至关重要，尤其是在长时间的生长过程中。在PVT法生长SiC单晶时，为防止SiC分解后气相物质的大量流失，坩埚必须封闭，这使得坩埚内部在晶体生长过程中犹如一个“黑箱”，研究人员无法实时获取内部信息，更难以对生长过程进行动态调控。这不仅限制了晶体质量的进一步提升，也制约了生长工艺的优化和创新。

与PVT法不同，TSSG法生长SiC单晶的生长系统更为“开放”。在生长过程中，可实现动态调控的参数丰富多样，为晶体生长过程的精细化调控提供了广阔空间。通过调整籽晶和坩埚的旋转工艺，能够对高温溶液中的温场、对流模式以及溶质浓度分布进行有效调控；调整晶体生长过程中籽晶的提拉速度，可以灵活改变晶体的生长速率和生长形态；借助红外测温及成像技术，还能对晶体生长过程进行实时监测与调控。随着TSSG法相关技术的不断突破和完善，这种生长过程的可调控性优势将愈发凸显，为精准生长出满足不同应用需求的SiC单晶提供了有力支持。

高效p型掺杂

n型沟道的SiC绝缘栅双极型晶体管（SiC IGBTs）在高压开关领域具有巨大的应用潜力，其制作需要高掺杂浓度、低电阻率的p型SiC衬底。然而，目前商用的p型SiC单晶存在晶体结晶质量差、电阻率高（约2.5Ω·cm）等问题，严重限制了n型沟道SiC IGBT的性能。采用PVT法难以获得高掺杂浓度、高质量的p型SiC单晶，主要受两方面因素制约：一方面，实现p型掺杂的Al源在晶体生长条件下的饱和蒸气压太大，在晶体生长初期Al源就会迅速耗尽，导致晶体中Al的掺杂浓度极不均匀，无法实现持续稳定的p型掺杂；另一方面，研究表明，PVT法生长p型SiC晶体时，晶体生长界面处高浓度的Al会严重影响晶体的结晶质量，导致缺陷密度增大。

TSSG法成功克服了这些难题。在晶体生长过程中，只需向高温溶液中添加一定量的Al，就能实现持续稳定的p型掺杂。这主要得益于TSSG法相对较低的生长温度，以及将Al分散在高温溶液中对其挥发的抑制作用。在溶质分凝和扩散的作用下，晶体生长界面处的Al浓度会形成动态平衡的稳态分布，从而实现Al在晶体中的持续稳定掺杂，并且可以根据Al溶质在晶体中的平衡分凝系数，实现晶体中掺杂浓度的大范围精确调控。丰田公司的Shirai等人在2014年报道了通过TSSG法生长的低电阻率p型4H - SiC晶体，他们利用TSSG法在Si - Cr - Al高温溶液中生长出了厚度为5mm的高质量p型4H - SiC晶锭，晶体生长速率高达1mm/h，晶体中Al掺杂浓度分布均匀，电阻率仅有35mΩ·cm，充分展示了TSSG法在生长低电阻率、高结晶质量的p型SiC单晶方面的巨大优势，为SiC IGBTs等器件的高性能发展提供了优质的材料基础。