文章來(lái)源：晶格半導(dǎo)體

原文作者：晶格半導(dǎo)體

本文主要介紹TSSG生產(chǎn)碳化硅的優(yōu)勢(shì)。

消除微管缺陷

微管是SiC晶體中極為有害的缺陷，哪怕數(shù)量極少，也會(huì)對(duì)SiC器件的性能產(chǎn)生毀滅性打擊。在傳統(tǒng)物理氣相傳輸法（PVT）生長(zhǎng)SiC單晶時(shí)，微管極易形成，并且籽晶或襯底里原有的微管還會(huì)在后續(xù)生長(zhǎng)中不斷延伸，使得晶體質(zhì)量難以提升。而TSSG法在生長(zhǎng)SiC單晶過(guò)程中，展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)——完全不會(huì)產(chǎn)生微管。眾多研究成果有力地證明了這一點(diǎn)，1996年，Yakimova等發(fā)現(xiàn)液相外延SiC能完美覆蓋襯底中原有的微管缺陷，從而獲取無(wú)微管的高質(zhì)量SiC單晶；1999年，Hofmann等通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察進(jìn)一步證實(shí)TSSG法生長(zhǎng)SiC單晶時(shí)微管可被有效覆蓋；Khan等借助X射線衍射、光學(xué)顯微鏡以及掃描電鏡等多種先進(jìn)檢測(cè)手段，同樣證實(shí)液相外延能有效修復(fù)襯底中的微管和其他宏觀缺陷，大幅降低晶體中的位錯(cuò)密度；Ujihara等利用拉曼光譜也證實(shí)了液相外延生長(zhǎng)的SiC可有效覆蓋襯底中的固有缺陷，顯著提升晶體質(zhì)量。由此可見，TSSG法為獲得高質(zhì)量SiC單晶提供了堅(jiān)實(shí)保障。

降低位錯(cuò)密度

位錯(cuò)也是影響SiC晶體性能的關(guān)鍵因素之一。在TSSG法生長(zhǎng)SiC單晶的過(guò)程中，存在著奇妙的位錯(cuò)轉(zhuǎn)變機(jī)制。日本名古屋大學(xué)Harada等給出的位錯(cuò)轉(zhuǎn)變機(jī)理示意圖顯示，臺(tái)階流會(huì)促使籽晶中位錯(cuò)線原本垂直于生長(zhǎng)臺(tái)階流方向的螺位錯(cuò)（TSDs）和刃位錯(cuò)（TEDs），轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)線與臺(tái)階流相平行的堆垛層錯(cuò)（SFs）。隨著臺(tái)階流的持續(xù)生長(zhǎng)，SF不斷橫向擴(kuò)展，并最終終止于晶體的側(cè)邊緣。這一轉(zhuǎn)變過(guò)程極大地減少了籽晶中位錯(cuò)在后續(xù)生長(zhǎng)中的繼承和延伸，使得晶體中的位錯(cuò)密度大幅降低，進(jìn)而提升了SiC晶體的電學(xué)性能和機(jī)械性能，為SiC器件的高性能運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

擴(kuò)徑優(yōu)勢(shì)顯著

當(dāng)前，SiC襯底及器件的高成本嚴(yán)重阻礙了SiC在更廣泛領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。增大單晶尺寸是提高器件生產(chǎn)效率、降低單個(gè)器件制造成本的重要途徑，因此擴(kuò)徑技術(shù)成為全球研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。PVT法作為目前生長(zhǎng)SiC單晶的主流且唯一實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的方法，在擴(kuò)徑方面卻困難重重。以行業(yè)巨頭Cree公司為例，早在30多年前就成功生長(zhǎng)出2英寸的SiC單晶，但直至今日，其8英寸SiC單晶襯底仍未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，這足以體現(xiàn)PVT法擴(kuò)徑技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

TSSG法在擴(kuò)徑方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。在生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整提拉速度就能相對(duì)輕松地實(shí)現(xiàn)晶體的放肩擴(kuò)徑。豐田公司和住友公司的研究團(tuán)隊(duì)采用“彎月面高度控制”技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了人為精確調(diào)控晶體擴(kuò)徑。在TSSG法生長(zhǎng)晶體時(shí)，由于表面張力的作用，晶體與高溫溶液之間會(huì)形成具有一定高度的彎月面。研究人員通過(guò)調(diào)整籽晶的提拉速度來(lái)改變彎月面的高度，進(jìn)而調(diào)控生長(zhǎng)角θ。一般來(lái)說(shuō)，提拉速度越小，彎月面高度越小，晶體的生長(zhǎng)角θ值越大，可獲得的晶體擴(kuò)徑速率就越大。不僅如此，擴(kuò)徑還能大幅度降低晶體中的位錯(cuò)密度。從相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)給出的通過(guò)TSSG法擴(kuò)徑生長(zhǎng)的SiC單晶及其中心區(qū)域和邊緣擴(kuò)徑區(qū)域的反射X射線形貌照片可以清晰看到，晶體在籽晶正下方的中心區(qū)域位錯(cuò)密度較高，而在偏離籽晶正下方的邊緣擴(kuò)徑區(qū)域幾乎觀察不到位錯(cuò)的存在，這是因?yàn)樽丫е械墓逃形诲e(cuò)在生長(zhǎng)過(guò)程中不會(huì)延伸到擴(kuò)徑區(qū)，使得擴(kuò)徑區(qū)中位錯(cuò)密度更低，為生產(chǎn)大尺寸、高質(zhì)量的SiC單晶提供了可能。

生長(zhǎng)過(guò)程靈活可控

晶體生長(zhǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)且復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)生長(zhǎng)界面處狀態(tài)的持續(xù)穩(wěn)定調(diào)控對(duì)于保證晶體結(jié)晶質(zhì)量至關(guān)重要，尤其是在長(zhǎng)時(shí)間的生長(zhǎng)過(guò)程中。在PVT法生長(zhǎng)SiC單晶時(shí)，為防止SiC分解后氣相物質(zhì)的大量流失，坩堝必須封閉，這使得坩堝內(nèi)部在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中猶如一個(gè)“黑箱”，研究人員無(wú)法實(shí)時(shí)獲取內(nèi)部信息，更難以對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控。這不僅限制了晶體質(zhì)量的進(jìn)一步提升，也制約了生長(zhǎng)工藝的優(yōu)化和創(chuàng)新。

與PVT法不同，TSSG法生長(zhǎng)SiC單晶的生長(zhǎng)系統(tǒng)更為“開放”。在生長(zhǎng)過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控的參數(shù)豐富多樣，為晶體生長(zhǎng)過(guò)程的精細(xì)化調(diào)控提供了廣闊空間。通過(guò)調(diào)整籽晶和坩堝的旋轉(zhuǎn)工藝，能夠?qū)Ω邷厝芤褐械臏貓?chǎng)、對(duì)流模式以及溶質(zhì)濃度分布進(jìn)行有效調(diào)控；調(diào)整晶體生長(zhǎng)過(guò)程中籽晶的提拉速度，可以靈活改變晶體的生長(zhǎng)速率和生長(zhǎng)形態(tài)；借助紅外測(cè)溫及成像技術(shù)，還能對(duì)晶體生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控。隨著TSSG法相關(guān)技術(shù)的不斷突破和完善，這種生長(zhǎng)過(guò)程的可調(diào)控性優(yōu)勢(shì)將愈發(fā)凸顯，為精準(zhǔn)生長(zhǎng)出滿足不同應(yīng)用需求的SiC單晶提供了有力支持。

高效p型摻雜

n型溝道的SiC絕緣柵雙極型晶體管（SiC IGBTs）在高壓開關(guān)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，其制作需要高摻雜濃度、低電阻率的p型SiC襯底。然而，目前商用的p型SiC單晶存在晶體結(jié)晶質(zhì)量差、電阻率高（約2.5Ω·cm）等問(wèn)題，嚴(yán)重限制了n型溝道SiC IGBT的性能。采用PVT法難以獲得高摻雜濃度、高質(zhì)量的p型SiC單晶，主要受兩方面因素制約：一方面，實(shí)現(xiàn)p型摻雜的Al源在晶體生長(zhǎng)條件下的飽和蒸氣壓太大，在晶體生長(zhǎng)初期Al源就會(huì)迅速耗盡，導(dǎo)致晶體中Al的摻雜濃度極不均勻，無(wú)法實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的p型摻雜；另一方面，研究表明，PVT法生長(zhǎng)p型SiC晶體時(shí)，晶體生長(zhǎng)界面處高濃度的Al會(huì)嚴(yán)重影響晶體的結(jié)晶質(zhì)量，導(dǎo)致缺陷密度增大。

TSSG法成功克服了這些難題。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，只需向高溫溶液中添加一定量的Al，就能實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的p型摻雜。這主要得益于TSSG法相對(duì)較低的生長(zhǎng)溫度，以及將Al分散在高溫溶液中對(duì)其揮發(fā)的抑制作用。在溶質(zhì)分凝和擴(kuò)散的作用下，晶體生長(zhǎng)界面處的Al濃度會(huì)形成動(dòng)態(tài)平衡的穩(wěn)態(tài)分布，從而實(shí)現(xiàn)Al在晶體中的持續(xù)穩(wěn)定摻雜，并且可以根據(jù)Al溶質(zhì)在晶體中的平衡分凝系數(shù)，實(shí)現(xiàn)晶體中摻雜濃度的大范圍精確調(diào)控。豐田公司的Shirai等人在2014年報(bào)道了通過(guò)TSSG法生長(zhǎng)的低電阻率p型4H - SiC晶體，他們利用TSSG法在Si - Cr - Al高溫溶液中生長(zhǎng)出了厚度為5mm的高質(zhì)量p型4H - SiC晶錠，晶體生長(zhǎng)速率高達(dá)1mm/h，晶體中Al摻雜濃度分布均勻，電阻率僅有35mΩ·cm，充分展示了TSSG法在生長(zhǎng)低電阻率、高結(jié)晶質(zhì)量的p型SiC單晶方面的巨大優(yōu)勢(shì)，為SiC IGBTs等器件的高性能發(fā)展提供了優(yōu)質(zhì)的材料基礎(chǔ)。