TSSG生產(chǎn)碳化硅的優(yōu)勢

文章來源：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。

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，也會對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SiC單晶時，微管極易形成，并且籽晶或襯底里原有的微管還會在后續(xù)生長中不斷延伸，使得晶體質(zhì)量難以提升。而TSSG法在生長SiC單晶過程中，展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢——完全不會產(chǎn)生微管。眾多研究成果有力地證明了這一點，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，從而獲取無微管的高質(zhì)量SiC單晶；1999年，Hofmann等通過光學(xué)顯微鏡觀察進一步證實TSSG法生長SiC單晶時微管可被有效覆蓋；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檢測手段，同樣證實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密度；Ujihara等利用拉曼光譜也證實了液相外延生長的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單晶提供了堅實保障。

降低位錯密度

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

擴徑優(yōu)勢顯著

當前，SiC襯底及器件的高成本嚴重阻礙了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、降低單個器件制造成本的重要途徑，因此擴徑技術(shù)成為全球研究者關(guān)注的焦點。PVT法作為目前生長SiC單晶的主流且唯一實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的方法，在擴徑方面卻困難重重。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單晶襯底仍未實現(xiàn)商業(yè)化，這足以體現(xiàn)PVT法擴徑技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

TSSG法在擴徑方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。在生長過程中，通過調(diào)整提拉速度就能相對輕松地實現(xiàn)晶體的放肩擴徑。豐田公司和住友公司的研究團隊采用“彎月面高度控制”技術(shù)，進一步實現(xiàn)了人為精確調(diào)控晶體擴徑。在TSSG法生長晶體時，由于表面張力的作用，晶體與高溫溶液之間會形成具有一定高度的彎月面。研究人員通過調(diào)整籽晶的提拉速度來改變彎月面的高度，進而調(diào)控生長角θ。一般來說，提拉速度越小，彎月面高度越小，晶體的生長角θ值越大，可獲得的晶體擴徑速率就越大。不僅如此，擴徑還能大幅度降低晶體中的位錯密度。從相關(guān)研究團隊給出的通過TSSG法擴徑生長的SiC單晶及其中心區(qū)域和邊緣擴徑區(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)域位錯密度較高，而在偏離籽晶正下方的邊緣擴徑區(qū)域幾乎觀察不到位錯的存在，這是因為籽晶中的固有位錯在生長過程中不會延伸到擴徑區(qū)，使得擴徑區(qū)中位錯密度更低，為生產(chǎn)大尺寸、高質(zhì)量的SiC單晶提供了可能。

生長過程靈活可控

晶體生長是一個動態(tài)且復(fù)雜的過程，對生長界面處狀態(tài)的持續(xù)穩(wěn)定調(diào)控對于保證晶體結(jié)晶質(zhì)量至關(guān)重要，尤其是在長時間的生長過程中。在PVT法生長SiC單晶時，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)部在晶體生長過程中猶如一個“黑箱”，研究人員無法實時獲取內(nèi)部信息，更難以對生長過程進行動態(tài)調(diào)控。這不僅限制了晶體質(zhì)量的進一步提升，也制約了生長工藝的優(yōu)化和創(chuàng)新。

與PVT法不同，TSSG法生長SiC單晶的生長系統(tǒng)更為“開放”。在生長過程中，可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)控的參數(shù)豐富多樣，為晶體生長過程的精細化調(diào)控提供了廣闊空間。通過調(diào)整籽晶和坩堝的旋轉(zhuǎn)工藝，能夠?qū)Ω邷厝芤褐械臏貓?、對流模式以及溶質(zhì)濃度分布進行有效調(diào)控；調(diào)整晶體生長過程中籽晶的提拉速度，可以靈活改變晶體的生長速率和生長形態(tài)；借助紅外測溫及成像技術(shù)，還能對晶體生長過程進行實時監(jiān)測與調(diào)控。隨著TSSG法相關(guān)技術(shù)的不斷突破和完善，這種生長過程的可調(diào)控性優(yōu)勢將愈發(fā)凸顯，為精準生長出滿足不同應(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）等問題，嚴重限制了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，實現(xiàn)p型摻雜的Al源在晶體生長條件下的飽和蒸氣壓太大，在晶體生長初期Al源就會迅速耗盡，導(dǎo)致晶體中Al的摻雜濃度極不均勻，無法實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的p型摻雜；另一方面，研究表明，PVT法生長p型SiC晶體時，晶體生長界面處高濃度的Al會嚴重影響晶體的結(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。在晶體生長過程中，只需向高溫溶液中添加一定量的Al，就能實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的p型摻雜。這主要得益于TSSG法相對較低的生長溫度，以及將Al分散在高溫溶液中對其揮發(fā)的抑制作用。在溶質(zhì)分凝和擴散的作用下，晶體生長界面處的Al濃度會形成動態(tài)平衡的穩(wěn)態(tài)分布，從而實現(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年報道了通過TSSG法生長的低電阻率p型4H - SiC晶體，他們利用TSSG法在Si - Cr - Al高溫溶液中生長出了厚度為5mm的高質(zhì)量p型4H - SiC晶錠，晶體生長速率高達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，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)。