举动第三代宽禁带半导体原料，SiC(碳化硅)具有优异的物理和电学性情，使其正在功率半导体器件范围具有广大的行使前景。然而，碳化硅单晶衬底的制备技艺具有极高的技艺壁垒，晶体发展进程需求正在高温低压境况下举办，境况变量众，极大影响了碳化硅工业化行使。采用曾经工业化的物理气相输运法(PVT)难以发展p型4H-SiC和立方SiC单晶。而液相法正在p型4H-SiC和立方SiC单晶单晶发展就有奇异的上风，为筑制高频、高压、大功率IGBT器件和高牢靠性、高平稳性、长命命的MOSFET器件奠定原料基本。假使液相法正在工业化行使上仍面对少许技艺困难，但跟着市集需求的推进和技艺的不息打破，液相法希望正在来日成为一种要紧的碳化硅单晶发展法子。
正在2024宇宙传感器大会——车规级半导体工业开展大会上，中邦科学院物理所副斟酌员李辉以“液相法发展碳化硅单晶”为焦点，分享了液相法发展分歧晶型SiC单晶，越发是3C-SiC和p型4H-SiC单晶的处理计划以及技艺行使前景。
无论是低压，依然中高压，功率器件都与咱们的生涯是亲密相干，简直通盘的用电摆设都需求通过功率器件来担任和解决电能，正在新能源汽车、通讯、工业主动化等诸众范围都有广大行使。李辉暗示，目前硅是行使最广大的功率半导体原料，但第三代半导体碳化硅举动政策性电子新闻原料，具有更明显的物理功能上风，具有更高击穿电场 (Si的10倍)、更高饱和电子漂移速度 (Si的2倍)、更高热导率 (Si的3倍、GaAs的10倍)，并且正在高温、高频和高耐压、小型化等方面体现特出。
李辉先容，碳化硅制备的功率器件具有更大的上风，“它的阻断电压更高，器件的厚度梗概是硅的1/10，并且正诱导通电阻更低。所以， 正在300V-4.5kV，SiC器件希望代替Si基器件，4.5 kV以上，SiC基器件具有绝对的上风。”她指出，新能源汽车是碳化硅要紧的行使场景，也是碳化硅最闭键的拉动力，推进了从半导体外延到器件全工业链的迅疾开展。
她非凡看好碳化硅基功率器件的开展前景，尤其是跟着轨道交通和直流输电网的开展，来日碳化硅向着更高的功率密度、更大的阻断电压、更大的电流开展，需求开展新的碳化硅单晶，好比说P型的碳化硅单晶来制备IGBT器件。遵照Yole预测数据，到2029年，碳化硅基功率器件的市集范围将越过100亿美元，2023年至2029年的年复合延长率约为25%。
碳化硅功率器件的工业链非凡长，涉及上逛碳化硅单晶和碳化硅外延，中逛的芯片、器件、模块，以及下逛的体系和行使。而正在全盘碳化硅功率器件的工业链中，碳化硅单晶的衬底和外延梗概霸占的本钱是60%。所以，李辉指出，低重碳化硅单晶和外延的本钱，是低重碳化硅全盘功率器件本钱非凡要紧的闭节，也是擢升碳化硅功率器件市集浸透率的条件。
假使SiC功率器件具有诸众技艺上风，但其制备面对众方面的挑衅。个中，SiC是一种硬原料，其发展速率慢且需求高温（越过2000摄氏度），导致出产周期长、本钱高。另外，SiC衬底的加工进程纷乱，容易展现各样缺陷。
目前，碳化硅衬备技艺包罗PVT法（物理气相传输法）、液相法和高温气相化学重积法等。李辉暗示，目前行业内大范围碳化硅单晶发展闭键采用PVT法，但这种制备法子出产碳化硅单晶有很大的挑衅性：一是碳化硅具有二百众种晶型，分歧晶型之间自正在能区别非凡小，所以正在PVT法发展碳化硅单晶进程中很容易产生相变，就会导致存正在良率低的题目。另外，相对硅提拉单晶硅的发展速率，碳化硅单晶发展速率非凡慢，导致碳化硅单晶衬底加倍腾贵。
二是PVT法发展碳化硅单晶的温度高于2000摄氏度，导致无法精准的测温。“正在这个发展体系中，就像是一个黑匣子，咱们无法用直接的措施测试碳化硅的发展进程。这也是导致碳化硅单晶发展难度大的一个来因。”
李辉指出，因为4H-SiC MOSFET存正在牢靠性、平稳性和低寿命等缺陷，导致目前中邦正在车规级主驱MOSFET器件的90%依赖进口。要思驯服碳化硅功率器件缺陷，擢升市集浸透率，可能从几个方面来开端：一是低重发展本钱。
二是发展更大的晶体尺寸，使单片晶体尺寸上的芯片数目更高。这也是为何迩来几年8英寸碳化硅单晶衬底展现迅疾开展的来因。
五是从原料端，来改正MOSFET器件目前遭遇的牢靠性差、平稳性差、寿命低的题目。
那么，为什么要开展液相法技艺？李辉暗示，发展n型的4H碳化硅单晶(新能源汽车等)，无法发展p型4H-SiC单晶和3C-SiC单晶。而p型4H-SiC单晶来日将是制备IGBT原料基本，将行使于高阻断电压、大电流的IGBT，好比轨道交通和智能电网等少许行使场景。而3C-SiC将处理4H-SiC及MOSFET器件的技艺瓶颈。
她也先容，“从本钱、耗能等归纳角度，高温液相法的本钱会更低，估计比PVT发展法子低重30%。借使再加上原料接管，这个本钱将会进一步低重。”另外，液相法发展碳化硅因为是一种亲近于热力学平均的发展法子，发展的晶体缺陷密度会更低，易于告竣扩径、可能得到P型晶体。
李辉也先容了中邦科学院物理斟酌所正在陈小龙教练的携带下，其正在液相法发展碳化硅上的希望。与硅分歧，碳化硅正在加热到熔化之前就升华了。所以，符合的助溶剂体例是液相法发展碳化硅单晶的基本，闭键有三方面的恳求：一是大的溶C才华；二是液相区无第二相；三是符合的固-液界面能，来调控思要发展的是p型碳化硅单晶依然3C碳化硅单晶。
斟酌团队通过相图计较和试验法子，寻找了少许符合的助溶剂体例，从而再进一步发展需求的碳化硅单晶。目前PVT法闭键挑衅正在于不服均、质料差，简单晶型担任难度大，电阻高，很可贵到高质料的P-4H-SiC单晶。所以，李辉斟酌团队采用液相法来出产P-4H-SiC单晶，斟酌了影响发展速度的闭头要素——界面能，通过优化发展技艺参数，得到了无孔洞缺陷高质料晶体，电阻率为0.1 Ω·cm，也无巨台阶聚并。
李辉先容，该斟酌团队迩来又操纵液相法发展了6英寸和8英寸的P-4H-SiC单晶。个中，
8英寸的P-4H-SiC单晶的厚度抵达8毫米。“咱们与北京晶格范围联合来研发，曾经告竣了P型6英寸4H-碳化硅单晶小批量的发售。咱们对它的缺陷举办了斟酌，可能浮现液相法发展的缺陷尺寸是PVT法发展的碳化硅单晶尺寸1/10。”
正在3C-SiC发展上，中邦科学院物理斟酌所通过高温液相法，正在邦际上初度得到了3C-SiC单晶，告竣了从0到1的打破。她暗示，“咱们前期通过调控助溶剂的构成和配比，告竣固-液界面能调控，从而正在邦际上初度发展出来了2到6英寸的3C碳化硅单晶，没有相变，并且晶体质料优劣常高的。”
李辉也暗示，通过一系列的斟酌评释，液相法正在发展P型4H-SiC单晶和3C-SiC单晶上具有很分明的上风。跟着技艺的不息开展，尤其是邦内中邦科学院物理斟酌所、北京晶格范围半导体有限公司、山东天岳、眉山博雅、常州臻晶半导体、连城数控、杭州科创核心、云南大学、天津理工大学等科研机构、企业加入到液相法发展碳化硅单晶的斟酌，P型4H-SiC单晶和3C-SiC也会逐步成熟起来。
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