中国粉体网讯 目前，主流的碳化硅长晶技术主要包括物理气相沉积法（PVT）、液相生长法（LPE）、高温化学气相沉积法（HTCVD）。
物理气相沉积法（PVT）
PVT法生长SiC单晶涉及许多复杂的过程，其工作原理是通过感应线圈将坩埚加热到2000-2400℃，在坩埚内建立一个自下而上递减的温度梯度，促进SiC粉末的升华，然后SiC转移到籽晶上，通过沉积形成单晶。
PVT法SiC单晶生长装置结构图
优点：PVT法生长设备要求低，生长过程简单，可控性强，技术发展较为成熟，已经实现了产业化应用，国内开始逐步实现8英寸衬底的大量量产。
缺点：PVT法位错密度仍然较高，这对器件的性能和寿命有非常不利的影响；其次还存在扩径难度大、成品率低、成本高等局限性。
技术难点：
1）晶型控制难度大。在PVT法生长SiC单晶过程中，容易产生晶型转变导致多晶夹杂。
2）温度精度调控挑战大。其在大尺寸晶体生长时，炉内及生长界面温度控制难度剧增，严重影响质量。国内厂商例如科友半导体、优晶光电等也在电阻加热生长SiC单晶方面做了大量研究并取得了一定的进展。
3）气体输运与反应优化需求迫切。PVT法高度依赖高温气体输运与反应过程。优化气体流动和反应动力学条件，以提高生长效率和减少杂质掺入，是亟待解决的核心问题。
高温化学气相沉积（HTCVD）
高温气源法又称为高温化学气相沉积（HTCVD）法。HTCVD法是对传统CVD技术的一种改进，它利用硅烷（SiH4）和碳氢化合物（如C2H4、C3H8）作为硅源和碳源，在2100~2300℃的高温下发生化学反应，生成SiC并沉积在籽晶上形成单晶。
优点：HTCVD法有晶体质量高、长晶速度快、可以实现连续加料等优点。另外，该法生长SiC晶体的速率要比其他方法更快。
缺点：由于生长设备和高纯气体价格不菲，导致该方法生产成本较高，商业化进程缓慢。目前主要用来制备半绝缘型SiC衬底。
技术难点：
1）气源分解速度不稳定（过快或过慢），易导致设备进气口堵塞，这使得HTCVD法生长SiC单晶设备的稳定性较差；
2）对于HTCVD法的相关研究不充分，工艺尚不成熟，依然处于研发阶段。
据资料显示，日本电装（Denso）公司于2009年成功使用HTCVD法生产出了低缺陷密度的SiC晶锭，并于2023年对外宣布可以通过HTCVD法量产8英寸的SiC单晶。国内企业超芯星于2019年10月全国首推出大尺寸扩径碳化硅单晶（163mm约6.5英寸）；2020年，超芯星推出了国内首台套HTCVD碳化硅单晶生长设备。
液相法（LPE）
液相法常用的是顶部籽晶溶液生长法（TSSG），生长温度通常在2073K左右，比PTV法的生长温度低。在生长过程中，把籽晶固定在吊杆上，通过对石墨坩埚中含有Si的助熔剂进行加热使之成为熔融态，而石墨坩埚则为晶体生长提供C源，溶液随着坩埚内部的对流流向籽晶方向，传输到籽晶表面进行SiC晶体的生长。
液相法生长SiC晶体示意图
优点：位错密度低，长晶速率快，结晶质量高，掺杂可控性强。
缺点：生长过程中的温度梯度难以精确调控、生长速率与结晶质量不平衡、晶体表面形貌粗糙以及溶剂夹杂等问题仍然限制了该方法的快速发展。
技术难点：
1）助溶剂的比例调控（充分考虑溶C的促进作用，排除杂质影响发前提下促使C浓度更高，驱动着长晶进行）；
2）温场控制（温场的材料依赖于进口，成本居高不下）温度梯度的稳定性和对称性；
3）籽晶系统需进行高精度控制，确保生长过程稳定。
近年来，日美等高校与公司均开展了大量SiC晶体液相法生长的研究，日本的名古屋大学、东京大学和产综研等科研院所已经开展了较为成熟的液相法研究，已经可以制备出4英寸或6英寸的SiC单晶。中国科学院物理所的陈小龙团队在国际上首次生长出了直径2-4英寸、厚度4-10mm、单一晶型的3C-SiC单晶。2023年天岳先进采用液相法制备出了低缺陷的8英寸晶体；晶格领域实现了液相法碳化硅生长产业化技术成果转化落地。
来源：
杨皓等：碳化硅单晶制备方法及缺陷控制研究进展
粉体网：液相法碳化硅单晶生长技术研究进展综述
顾鹏等：顶部籽晶溶液法生长碳化硅单晶及其关键问题研究进展
（中国粉体网编辑整理/空青）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除
