碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，凭借其宽禁带、高热导率、高饱和电子漂移速率、强抗辐射性能以及出色的热稳定性和化学稳定性，在高温、高频、高功率电力电子器件和射频器件领域展现出了无与伦比的应用潜力。然而，要将 SiC 的潜力完全转化为实际应用，高质量、大尺寸、低成本 SiC 单晶衬底的制备尤为关键。目前，这一制备过程面临着缺陷密度高、成品率低和成本高昂等问题。传统方法的困境回顾 SiC 单晶生长的历史，物理气相传输法（PVT）作为目前最成熟且应用广泛的方法，却始终被微管密度高、位错密度大等问题所困扰，犹如一位身负重伤的战士，虽经验丰富但力不从心。高温化学气相沉积（HTCVD）法虽然能够实现晶体的长时间持续生长，却因成本居高不下，宛如一座难以攀登的高峰，让许多研究者望而却步。TSSG 法的崛起就在研究者们苦苦寻觅突破之道时，高温溶液生长（HTSG）法中的顶部籽晶溶液生长（TSSG）法逐渐崭露头角。这一方法有着辉煌的发展历程，自 1961 年首次从高温 Si 熔体中获取 SiC 单晶起，便开启了它的传奇之旅。尽管在 20 世纪 70 年代后曾一度沉寂，但 90 年代后再度活跃，并在 2000 年后成为主流技术模式。如今，日本、韩国、法国和中国等国家的科研团队纷纷投身于 TSSG 法生长 SiC 单晶衬底的研究中，其中日本的住友金属、丰田公司、三菱电机公司、东京大学等单位更是取得了一系列令人瞩目的阶段性成果，为这一领域的发展注入了强大的动力。TSSG 法生长 SiC 单晶的原理TSSG 法巧妙地利用 Si 和 C 元素在高温溶液中的溶解、再析出来实现 SiC 单晶的生长。通过精心控制温场，使高温溶液形成温度梯度，当溶液中 C 的浓度达到平衡后，将籽晶轻轻下推与高温溶液接触，晶体生长的大幕便缓缓拉开。在这个微观的生长世界里，热力学过程起着至关重要的作用。高温溶液中 C 的平衡浓度会随着温度升高而升高，而晶体生长界面处的生长驱动力始终大于 0，就像一股源源不断的动力，推动着晶体持续生长。在理想状态下，体系中存在着多种精妙的平衡：C 的溶解、传输与消耗平衡，热量输入与耗散平衡，溶质传入与单晶生长消耗平衡，以及晶体生长界面处热量输入与传出平衡，这些平衡共同构建了一个稳定而有序的生长环境。助熔剂元素的选取无疑是 TSSG 法生长 SiC 单晶的关键密码。它对晶体生长过程起着决定性作用。在选择助熔剂元素时，科研人员遵循着一系列严格的原则：对 C 的溶解度大、化学稳定性好、热稳定性好、传质能力强、润湿性好、非故意掺杂少、相组成单一、成本低且环境友好。这些原则如同筛选卫士，确保选出的助熔剂元素能够为晶体生长创造最有利的条件。经过无数次的探索研究，研究者们对过渡族金属元素和稀土元素等可能的助熔剂元素进行了深入挖掘。如今，常见的高温溶液体系有 Li-Si、Ti-Si、Cr-Si、Fe-Si、Sc-Si、Ni-Si 和 Co-Si 等。其中，Cr-Si、Ti-Si 和 Fe-Si 二元体系以及 Cr-Ce-Al-Si 等多元体系发展态势良好，如同精心调配的魔法药水，在晶体生长实验中获得了令人欣喜的成果。TSSG 法生长 SiC 单晶的另一个核心研究重点是对高温溶液中和晶体生长界面中的动力学过程进行精细调控。通过籽晶和坩埚的旋转与提拉工艺、生长系统中温场的调控、坩埚结构与尺寸的优化以及外加磁场调控高温溶液对流等手段，精准地掌控着晶体生长的节奏，确保每一个生长步骤都恰到好处。为了更深入地了解晶体生长的奥秘，原位观测技术应运而生。它就像是一双敏锐的眼睛，能够实时观察和分析 TSSG 法生长 SiC 单晶中晶体生长界面的动力学过程和晶体生长机理。通过这双“眼睛”，研究者们能够及时发现问题并调整生长策略，为实现高质量晶体生长提供了有力的支持。TSSG 法的独特优势缺陷：在 TSSG 法生长 SiC 单晶的过程中，一个突出的优势是它不会产生微管，而且能够有效复合籽晶中固有的微管及一些其他宏观缺陷，从而大幅提升晶体的质量，让 SiC 单晶更加纯净完美。扩径：TSSG 法在扩径方面具有得天独厚的优势，通过巧调整提拉速度，就能够实现晶体的放肩扩径，如同为晶体生长打开了一扇广阔的大门。而且，扩径技术的实现还能够大幅度降低晶体中的位错密度，让 SiC 单晶在尺寸和质量上实现双丰收。灵活性：与其他方法相比，TSSG 法生长 SiC 单晶的生长系统更加“开放”，这意味着在晶体生长过程中可实现动态调控的参数更多，为研究者们提供了广阔的精细化调控空间，就像一位拥有众多工具的工匠，可以根据实际情况精心雕琢出理想的晶体。P型掺杂：TSSG 法还成功实现了持续稳定的 p 型掺杂，能够生长出低电阻率、高结晶质量的 p 型 SiC 单晶，这一突破为 SiC 在半导体器件领域的应用开辟了新的道路，让 SiC 能够更好地满足各种复杂的器件需求。
