高温液相法在碳化硅单晶生长中的应用与探索

高温液相法在碳化硅单晶生长中的应用与探索

杨铭、杨帆、姜克勇、徐晖、李尧炜佳、丁克明、郭邵磊

新疆天科合达蓝光半导体有限公司 832000

摘要：本文深入探讨了高温液相法在碳化硅（SiC）单晶生长中的应用及其相关进展。通过详细分析高温液相法的基本原理、生长过程、关键技术及优化策略，揭示了该方法在提升碳化硅单晶生长速率、晶体质量和降低生产成本方面的显著优势。同时，还关注了高温液相法在立方碳化硅（3C-SiC）单晶生长、熔体成份调控、固-液界面能优化以及新型籽晶材料与生长工艺探索等方面的创新成果。最后，本文展望了高温液相法在未来碳化硅单晶生长领域的应用前景，并提出了进一步研究的建议。

关键词：高温液相法；碳化硅（SiC）；单晶生长

引言

碳化硅（SiC）作为一种宽带隙半导体材料，因其高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高热导率等优异性能，在新能源汽车、光伏、5G通讯等领域展现出巨大的应用潜力。特别是在新能源汽车领域，SiC功率器件能够显著提高电动汽车的能效和续航里程，降低系统成本，成为新能源汽车产业发展的关键材料之一。然而，碳化硅单晶的生长却面临着诸多挑战。传统生长方法如物理气相传输法（PVT）和高温化学气相沉积法（HTCVD）虽然取得了一定的成果，但仍存在扩径难度大、成品率低、成本高等问题，限制了碳化硅材料的广泛应用。高温液相法作为一种新兴的生长技术，因其生长速度快、晶体尺寸大、生长晶体质量高等特点而备受关注。该方法通过控制碳在硅和助溶剂组成的高温液体中的溶解与析出过程，实现碳化硅单晶的生长。与传统方法相比，高温液相法具有更高的生长效率和更低的成本，为碳化硅单晶的产业化提供了新的途径。高温液相法生长碳化硅单晶也面临着一些技术难题，如熔体成份调控、固-液界面能优化等。因此，本文旨在深入探讨高温液相法在碳化硅单晶生长中的应用与探索，为碳化硅材料的广泛应用提供有力支持。

1 高温液相法在碳化硅单晶生长中的应用

在高温液相法应用于碳化硅（SiC）单晶生长的过程中，科研人员通过精确调控熔体的组成、温度梯度以及籽晶与熔体的相互作用，实现了碳化硅单晶的高质量、大尺寸生长。这一方法不仅显著提升了碳化硅单晶的生长速率，而且优化了晶体的结构和性能，为碳化硅材料在新能源汽车、光伏、5G通讯等领域的广泛应用提供了有力支持。具体来说，高温液相法通过利用硅和助溶剂（如镓、锡等）在高温下形成的熔体，将碳作为溶质溶解其中，并通过精确控制熔体的成分和温度梯度，实现了碳在熔体中的稳定溶解与析出，从而促进了碳化硅单晶的生长。在这一过程中，科研人员通过优化熔体的组成，精确调整硅、助溶剂和碳的比例，以获得最佳的晶体生长条件。同时，他们还通过精确控制温度梯度，确保了碳在熔体中的溶解度分布均匀，从而实现了碳化硅单晶的稳定生长。此外，高温液相法在碳化硅单晶生长中还注重籽晶的选择与安装。科研人员通过选用高质量的籽晶，并对其进行适当的预处理，以提高其生长性能和稳定性。在籽晶与熔体的相互作用过程中，科研人员通过精确控制籽晶的提拉速度和旋转速度，以及熔体的温度波动，确保了晶体生长方向的稳定性和晶体质量的提升。在实际应用中，高温液相法还通过优化生长工艺，如调整生长时间、控制气氛条件等，进一步提升了碳化硅单晶的生长效率和晶体质量。科研人员通过大量实验和理论分析，确定了最佳的生长参数，从而实现了碳化硅单晶的快速、高效生长。

2 高温液相法生长碳化硅单晶的创新探索

在高温液相法生长碳化硅单晶的领域中，科研人员正不断开展创新探索，旨在克服现有技术的局限，提升晶体质量和生长效率，推动碳化硅材料的广泛应用。以下是对该领域创新探索的介绍：

2.1立方碳化硅（3C-SiC）单晶生长的挑战与突破

立方碳化硅（3C-SiC）作为一种具有优异性能的碳化硅同质异构体，其单晶生长一直面临着巨大的挑战。传统的生长方法难以有效控制其生长方向和结构，导致晶体质量不高。然而，科研人员通过深入研究立方碳化硅的生长机理，创新性地提出了利用高温液相法结合特定的籽晶材料和生长工艺，成功实现了立方碳化硅单晶的稳定生长。这一突破不仅为立方碳化硅的深入研究提供了高质量的晶体材料，也为碳化硅材料的多样化应用开辟了新的道路。

2.2熔体成份调控与固-液界面能优化的研究

熔体成份的调控对于高温液相法生长碳化硅单晶至关重要。科研人员通过精确控制硅、助溶剂和碳的配比，以及引入新的助溶剂元素，成功优化了熔体的成份，提高了碳的溶解度和析出速率，从而实现了晶体生长速率的提升和晶体质量的改善。同时，科研人员还开展了固-液界面能优化的研究，通过调整籽晶与熔体的界面反应条件，减少了界面缺陷的形成，提高了晶体的完整性和纯度。

2.3新型籽晶材料与生长工艺的探索

籽晶作为高温液相法生长碳化硅单晶的关键材料，其质量和性能直接影响晶体的生长质量和方向。科研人员不断探索新型籽晶材料，如采用高纯度、高结晶质量的碳化硅单晶作为籽晶，以及通过特定的预处理工艺提高籽晶的生长性能。此外，科研人员还创新性地提出了多种生长工艺，如旋转提拉法、液面控制法等，以优化晶体的生长过程，提高晶体的质量和生长效率。

2.4生长速率与结晶质量的进一步提升策略

为了进一步提升高温液相法生长碳化硅单晶的生长速率和结晶质量，科研人员开展了大量的实验研究和理论分析。他们通过优化熔体的温度梯度、调整籽晶的提拉速度和旋转速度等参数，成功实现了晶体生长速率的显著提升。同时，科研人员还通过精确控制生长过程中的气氛条件、减少污染和杂质的影响，提高了晶体的结晶质量和纯度。这些策略的实施为高温液相法生长碳化硅单晶的产业化应用提供了有力支持。

3 结论

通过对高温液相法在碳化硅单晶生长中的深入研究，本文得出了以下结论：高温液相法作为一种创新的生长技术，具有生长速度快、晶体质量高等显著优势，为碳化硅单晶的产业化提供了有力支持。然而，在实际应用中仍存在一些技术挑战和难题，如熔体稳定性、籽晶选择与安装等。展望未来，随着科研工作的不断深入和技术的持续进步，相信能够克服这些难题，进一步提升高温液相法在碳化硅单晶生长中的应用效果，推动碳化硅材料的广泛应用和发展。

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