SiC单晶生长技术
文摘
2024-11-10 07:30
青海
在常压下，Si:C的化学计量比为1:1的液相SiC并不存在。因此，通常用于硅晶体生长的融液法不适用于SiC的块状晶体生长，而是采用升华法（PVT，物理气相传输法）。升华法的过程是在石墨坩埚中放入SiC粉末和SiC衬底作为籽晶，并设置温度梯度，使SiC粉末侧的温度略高，整体温度保持在2000至2500℃。目前使用的SiC籽晶升华法被称为改良Lely法，广泛用于SiC衬底的生产。 ![]()
图1展示了改良Lely法下SiC晶体生长的示意图。在加热至2000℃以上的石墨坩埚中，SiC粉末升华为Si2C、SiC2和Si等分子，并被输送到籽晶表面。这些原子在籽晶表面移动并被引入晶体形成位置，从而生长出SiC块状单晶。通常在惰性气氛中使用低压氩气，并在n型掺杂时添加氮气。升华法虽被广泛应用于SiC单晶的制备，但其生长速度相对较慢。尽管品质逐渐改善，晶体中仍存在许多位错等缺陷。除了升华法，液相生长法和高温化学气相沉积（CVD）法等方法也在尝试制备SiC块状单晶。图2展示了SiC单晶的液相生长法示意图。 ![]()
液相生长法中，碳在硅溶剂中的溶解度非常低。为此，通过添加Ti、Cr等元素来提高碳的溶解度。碳由石墨坩埚供给，SiC单晶在稍低温度的籽晶表面生长，生长温度一般设定在1500至2000℃，低于升华法。据报道，其生长速度可达数百微米每小时。液相生长法的优点在于，当沿[0001]方向生长晶体时，可以将沿该方向延伸的位错弯曲至垂直方向，从而使其从侧壁扫出晶体外部。在现有的SiC晶体中，沿[0001]方向的螺旋位错密度较高，是器件漏电流的来源，而液相生长法制备的SiC晶体中，螺旋位错的密度显著降低。液相生长法面临的挑战包括提高生长速度、延长生长晶体长度和改善晶体表面形态等。高温CVD法用于生长SiC单晶，通常在低压氢气气氛中，以SiH4作为Si原料，C3H8作为C原料，在高温（通常超过2000℃）下在SiC衬底表面生长单晶SiC层。原料气体在热分解区域被导入生长炉，分解为SiC2、Si2C等分子，并输送到籽晶表面，形成单晶SiC。![]()
图3展示了高温CVD法的示意图。该方法的优点在于使用高纯度的原料气体，并通过控制气体流量精确控制气相中的C/Si比率，这是影响缺陷密度的重要生长参数。此外，在SiC的块状生长中可实现相对较快的生长速度，达到每小时1mm以上。然而，CVD法的缺点包括反应生成物大量附着在生长炉内和排气管道上，给设备维护带来负担，同时气相反应生成颗粒会掺入晶体中，影响品质。高温CVD法作为制备高质量SiC块状晶体的方法，前景广阔，正在持续开发以实现比升华法更低的成本、更高的生产率和更低的位错密度。此外，报道指出，RAF（Repeated A-Face）法是一种利用升华法制备缺陷较少的SiC块状单晶的方法。在该方法中，从沿[0001]方向生长的晶体中切出与该方向垂直的籽晶，然后在其上生长SiC单晶。通过反复进行这一过程，可以有效将位错扫出晶体，从而获得缺陷较少的SiC块状单晶。使用RAF法制备的SiC单晶，其位错密度比传统方法低1至2个数量级。
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