新闻中心

首页 > 新闻中心> 行业新闻

SiC碳化硅单晶的生长原理

发布时间:2023-03-13发布人:

    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