第三代半导体材料SiC晶体生长设备技术及进展分析

杨茜

摘要：半导体技术的发展需要以半导体材料作为支撑，而在不断的发展过程中，半导体材料先后经过了多次演变，当前被广泛应用的是第三代半导体材料，其典型代表包括氮化镓（GaNg）、氧化锌（ZnO）、金刚石以及碳化硅（SiC），相比较前两代材料，第三代半导体材料的禁带宽度更大、导热率更高、抗辐射能力更强，能够实现更好地电子浓度以及运动控制。本文以SiC为例，对其晶体生长设备技术及研究进展进行了分析和讨论。

关键词：第三代半导体材料;SiC;晶体生长设备;技术

前言：半导体材料发展过程中，先后经历了以硅（Si）为代表的第一代，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代以及以碳化硅（SiC）为代表的第三代，对比第一代和第二代半导体材料，第三代半导体材料SiC的性能更加优越，应用领域更广、产业关联性更大，被广泛的应用在移动通信、智能电网、太阳能、新能源汽车等领域，对于社会经济的稳定健康发展有着非常积极的作用。

1 SiC晶体的特性

SiC本身是由石英砂、煤焦、木屑等在电阻炉内高温冶炼得到，是一种无机物，自然界中同样存在。SiC具有稳定的化学性能，导热系数高，热膨胀系数小，可以制作高级耐火材料，耐热性好，强度高且自重轻，有着良好的节能效果。低品级SiC（SiC含量85%左右）具备良好的脱氧性，可以加快炼钢的速度，方便对钢材的化学成分进行控制，促进其质量的提高平。不仅如此，SiC还可以被应用到电热元件硅碳棒的制作中。

SiC的应用领域体现在几个方面：分别是功能陶瓷、高级耐火材料、磨料、冶金材料，当前，SiC粗料已经得到了大量供应，但是其本身并不属于高新技术产品，技术含量较高的纳米级SiC粉体在短时间内，依然无法实现规模化生产。以“三耐”材料为例，凭着SiC本身耐腐蚀、耐高温和抗冲击等特性，可以用于冶炼炉衬以及碳化硅板、衬板等，也可以用于有色金属冶炼中的高温间接加热材料，如竖罐蒸馏炉、精馏炉塔盘、铝电解槽等

在对SiC晶体进行制备的过程中，可以采用的方法包括高温化学气象沉积法、物理气象输运法以及液相法等，其中最为常见的是物理气象输运法，其基本原理，是利用中频感应圈，对高密度的石墨发热体进行加热，石墨坩埚底部填充碳化硅原料，相隔一定距离设置碳化硅籽晶，整体放入石墨发热体中，通过外部石墨毡来对温度进行调节看主机hi，确保氧化硅原料能够处于高温区，碳化硅籽晶则处于低温区。通过这样的方式，碳化硅原料在分解后形成的气相组分会向低温区输送，围绕碳化硅籽晶逐渐生长成为碳化硅晶体。

2 SiC晶体生长设备技术

SiC晶体生长设备要求能够满足“改进升华法”（见图1）的技术要求，将外延生长的工艺需求考虑在内。

SiC晶体生长对于很多条件都有着严苛的要求，最为核心的工艺参数包括隔热性强、密封性好以及工作温度高（2000-2500℃）等，加热设备需要选择中频电源感应加热，提升温度控制的效果，同时选择高温密封和高效冷却系统，在整个晶体生长过程中，都必修切实做好加热温度的测量和控制。

SiC晶体生长设备包含了多个子系统，分别是SiC晶体生长室、坩埚加热、温度控制、真空测量、气体供给与过滤、籽晶杆运动及控制以及水冷系统。

3 SiC晶体生长设备技术进展

3.1国际进展

作为第三代半导体材料的典型代表，SiC晶体生长设备技术在很多国家都得到了足够的重视，研究处于国际前列同时形成一定生产规模的包括德国的SiCrystal公司、美国的Dow Corning公司、日本的Nippon Steel公司等，其产品以LED、微波器件、电力电子器件等为主。不过，这些公司从保护自身技术的角度，并没有面向市场提供相应的SiC晶体生长设备，在可以查阅到的公开文献中，很难看到相关报道，而向市场提供SiC晶体生长设备的厂商主要是德国AIXTRON 公司、PVA Tepla公司、Linn公司和美国的GTAT公司等。

不过，国外生产的设备普遍存在着价格偏高的问题，而且设备生产商本身并不会针对SiC晶体生长工艺进行研究，同时SiC晶体生长工艺对于设备又有着极强的依赖性，设备生长工艺参数会直接影响SiC晶体的质量。基于此，即便引入了国外先进的设备，依然需要加强对于SiC晶体生长工艺的自主研究，这样才能得到高质量的SiC晶体材料。

3.2国内进展

我国从20世纪60年代开始，就已经借助物理气象输运法尝试进行SiC晶体生长实验，但是实验成果并不理想，无法得到高质量大尺寸的SiC晶体。1996年，国家在“863”计划中纳入了SiC晶体生长项目，2000年国家自然科学基金也提供了相应的经费支持，推动了相关研究的快速发展。就目前而言，我国很多单位在SiC晶体生长研究以及产业化方面都取得了显著成果，以山东大学晶体材料国家重点实验室为例，在从国外引进先进SiC晶体生长设备的基础上，又自主研发了相应的SiC晶体生长炉，经过十数年的研究，于2011年，实现了SiC晶体重大项目的产业化发展。現如今，山东大学晶体材料实验室已经可以利用自主研发的SiC晶体生长炉，得到2英寸、3英寸和4英寸的导电型及半绝缘型晶体，生产出的SiC晶体在市场上进入了批量销售的阶段。

中科院物理研究所同样从1999年就已经开始了对于SiC晶体生长技术的研究，开发出了SiC晶体生长炉，并于2006年和天富热电合作，成立了北京天科合达蓝光半导体有限公司，开始了产业化探索的脚步，借助自主研发设备，生产出了2英寸SiC单晶衬底，实现了产业化，之后相继研发成功了3英寸和4英寸的SiC单晶衬底，同样进入到了批量销售阶段。2014年底，中科院物理研究所的研究人员与北京天达公司达成协议，借助自主研发的SiC晶体生长炉，完成了对于6英寸SiC晶体的加工。SiC晶体生长炉的核心技术参数如下：

炉内真空度：在极限条件下，SiC晶体生长炉内部的真空度最高可以达到6.6×10-4Pa;

系统漏率：在停泵关机时间超过12h的情况下，炉内的真空度在10Pa以下;

系统抽速：开机60min以内，真空度不超过2×10-3Pa;

炉体快提拉速度连续升降可调：超过50mm/min（含）;

坩埚快提拉速度连续升降可调：超过50mm/min（含）;

坩埚转速：0-30r/min;

温度测量控制范围：1000℃-2600℃;

温度控制精度范围：±1℃。

另外，西安理工大学、中科院上海硅酸盐研究所以及中国电子集团等单位也在不断进行SiC晶体生长设备的自主研发，对于相关技术的研究从未停止，中科院上海硅酸盐研究所研发出的SiC晶体生长设备在配合50.8mm和76.2mm直径的SiC单晶生长技术的情况下，成功生产出了100mm直径的4H型SiC单晶。

针对我国多家研究机构自主研究的SiC晶体生长设备以及得到了SiC单晶产品进行分析，其在尺寸、质量等方面，相比较国际先进水平依然存在有不小的差距，以全球SiC晶体龙头企业Gree公司为例，其本身在国际SiC基片市场中，占据了较高份额，而结合该公司在“ICSCRM 2013”国际SiC学会上发布的内容分析，截止2013年，使用6英寸產品功率元件的微管密度通常单个体积在1cm2以下，平均水平可以达到0.5cm2，最佳状态甚至能够达到0.01cm2，而我国的产品最佳状态只能达到0.19cm2。

结语

总而言之，伴随着半导体技术的快速发展，对于半导体材料的研究也受到了相关部门的重视。从技术层面分析，我国在宽带半导体技术领域，距离国际领先水平依然存在一定差距，分析原因，一方面是因为我国在相关技术方面额研究起步较晚，另一方面则是国外掌握高端技术的企业禁止设备和技术外销。面对第三代半导体材料发展中存在的各种问题，科研机构需要进一步加强对于SiC晶体生长技术及设备的研究，注重设备的自主研发工作，将SiC晶体生长工艺与生长设备紧密结合起来，推动技术的完善和设备的优化，逐步实现SiC晶体生产的产业化发展。

参考文献

[1]邢根源.SiC单晶生长设备热场设计及仿真分析[D].吉林大学，2020..

[2]李留臣.晶体要发展 设备是关键——记陈创天院士对人工晶体生长设备的关心与重视[J].人工晶体学报，2019，48（10）：1859..

[3]康宏.泡生法晶体生长设备控制系统的研究[D].西安理工大学，2018.

[4]解亚军 微波合成SiC晶体的工艺研究[D].郑州大学，2016.