【導讀】高質量低缺陷的SiC晶體是制備SiC功率半導體器件的關鍵，目前比較主流的生長方法有PVT法、液相法以及高溫CVD法等，本文帶你了解以上三種SiC晶體生長方法及其優缺點。
高質量低缺陷的SiC晶體是制備SiC功率半導體器件的關鍵，目前比較主流的生長方法有PVT法、液相法以及高溫CVD法等，本文帶你了解以上三種SiC晶體生長方法及其優缺點。
在常壓下，不存在Si:C化學計量比等于1:1的液相SiC。因此，通常用于硅晶體生長的以融液作為原料的方法不能用于SiC塊狀晶體生長，而是采用升華法（PVT，物理氣相傳輸法）。升華法是在石墨坩堝中放入作為原料的SiC粉末和作為籽晶的SiC襯底，并設置溫度梯度，使SiC粉末側的溫度略高，然后將整體溫度保持在2000～2500℃。現在使用的SiC籽晶升華法被稱為改良Lely法，廣泛用于SiC襯底的生產。
圖1顯示了改良Lely法的SiC晶體生長示意圖。在加熱到2000℃以上的石墨坩堝中，SiC粉末會升華為Si2C、SiC2、Si等分子狀態，并被輸送到籽晶表面。所提供的原子在籽晶表面移動，并被引入形成晶體的位置，從而生長出SiC塊狀單晶。內部惰性氣氛通常使用低壓氬氣，并在n型摻雜時加入氮氣。
圖1：升華法制備SiC塊狀單晶生長示意圖
升華法目前被廣泛用于SiC單晶的制備，但與Si單晶生長用融液作為原料的方法相比，其生長速度較慢，雖然品質在逐漸改善，但晶體中仍含有許多位錯等問題。
除了升華法以外，還有通過溶液的液相生長法、氣相生長高溫CVD法等方法來嘗試制備SiC塊狀單晶。圖2展示了SiC單晶的液相生長法示意圖。
圖2：用于SiC塊狀晶體制備的液相生長法
首先，關于液相生長法，碳在硅溶劑中的溶解度非常低。因此，在溶劑中通過添加Ti、Cr等多種元素來提高碳的溶解度。碳由石墨坩堝供給，SiC單晶在溫度稍低的籽晶表面生長。生長溫度通常設定在1500～2000℃，低于升華法，據報道生長速度可達數百μm/h左右。
SiC液相生長法的優點在于，當沿[0001]方向生長晶體時，可以將沿[0001]方向延伸的位錯彎曲至垂直方向，從而將其從側壁掃至晶體外部。沿[0001]方向延伸的螺旋位錯在現有的SiC晶體中高密度存在，是器件漏電流的來源，使用液相生長法制備的SiC晶體中，螺旋位錯的密度大幅降低。
溶液生長所面臨的挑戰包括提高生長速度、延長生長晶體的長度以及改善晶體的表面形態等。
高溫CVD法生長SiC單晶是指在低壓氫氣氣氛中，以SiH4作為Si原料，以C3H8作為C原料，在保持高溫（通常為2000℃以上）的SiC襯底表面生長單晶SiC層的方法。被導入生長爐的原料氣體，在被熱壁包圍的熱分解區域，分解成SiC2、Si2C等分子，并輸送到籽晶表面，從而生長出單晶SiC。
圖3：高溫CVD法示意圖
高溫CVD法的優點包括可以使用高純度的原料氣體，通過控制氣體流量，可以精確控制氣相中的C/Si比率，這是影響缺陷密度的重要生長參數，在SiC的塊狀生長中可實現相對較快的生長速度，達到1mm/h以上等。另一方面，高溫CVD法的缺點包括反應生成物大量附著在生長爐內和排氣管道上，給設備維護帶來很大負擔，以及氣體中的氣相反應生成顆粒，導致顆粒作為異物被摻入晶體中。
高溫CVD法作為高質量SiC塊狀晶體的制備方法具有廣闊的前景，因此正在不斷持續開發這種方法，以實現比升華法更低的成本、更高的生產率和更低的位錯密度。
此外，據報道，RAF（Repeated A-Face）法是利用升華法制備SiC塊狀單晶缺陷較少的方法。在RAF法中，從沿[0001]方向生長的晶體中切出與[0001]方向垂直的籽晶，然后在其上生長SiC單晶。接著，再切出與該生長方向垂直的籽晶，使SiC單晶生長。通過重復該循環，將位錯掃出晶體，從而獲得缺陷較少的SiC塊狀單晶。使用RAF法制備的SiC單晶，其位錯密度比普通的低1～2個數量級。
文章來源：三菱電機半導體
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