动作第三代宽禁带半导体材料，SiC(碳化硅)具有优异的物理和电学特质，使其在功率半导体器件畛域具有无为的应用长进。可是，碳化硅单晶衬底的制备期间具有极高的期间壁垒，晶体滋长经由需要在高温低压环境下进行，环境变量多，极大影响了碳化硅产业化应用。接收也曾产业化的物理气相输运法(PVT)难以滋长p型4H-SiC和立方SiC单晶。而液相法在p型4H-SiC和立方SiC单晶单晶滋长就有私有的上风，为制作高频、高压、大功率IGBT器件和高可靠性、高走漏性、长命命的MOSFET器件奠定材料基础。尽管液相法在产业化应用上仍面对一些期间难题，但跟着阛阓需求的鼓励和期间的不断冲破，液相法有望在改日成为一种弥留的碳化硅单晶滋长情景。

在2024寰球传感器大会——车规级半导体产业发展大会上，中国科学院物理所副询查员李辉以“液相法滋长碳化硅单晶”为主题，共享了液相法滋长不同晶型SiC单晶，尤其是3C-SiC和p型4H-SiC单晶的搞定有规划以及期间应用长进。

碳化硅应用长进

不管是低压，如故中高压，功率器件齐与咱们的生涯是密切商酌，果然通盘的用电设立齐需要通过功率器件来终端和料理电能，在新能源汽车、通讯、工业自动化等诸多畛域齐有无为应用。李辉暗示，现在硅是应用最无为的功率半导体材料，但第三代半导体碳化硅动作政策性电子信息材料，领有更权贵的物感性能上风，具有更高击穿电场(Si的10倍)、更高鼓胀电子漂移速率 (Si的2倍)、更高热导率 (Si的3倍、GaAs的10倍)，况且在高温、高频和高耐压、袖珍化等方面阐发出色。

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，器件的厚度八成是硅的1/10，况且正向导通电阻更低。因此，在300V-4.5kV，SiC器件有望取代Si基器件，4.5 kV以上，SiC基器件具有完好意思的上风。”她指出，新能源汽车是碳化硅弥留的应用场景，亦然碳化硅最主要的拉能源，鼓励了从半导体外延到器件全产业链的快速发展。

她相配看好碳化硅基功率器件的发展长进，终点是跟着轨谈交通和直流输电网的发展，改日碳化硅向着更高的功率密度、更大的阻断电压、更大的电流发展，需要发展新的碳化硅单晶，比如说P型的碳化硅单晶来制备IGBT器件。字据Yole预测数据，到2029年，碳化硅基功率器件的阛阓限制将跨越100亿好意思元，2023年至2029年的年复合增长率约为25%。

碳化硅功率器件的产业链相配长，波及上游碳化硅单晶和碳化硅外延，中游的芯片、器件、模块，以及卑劣的系统和应用。而在通盘碳化硅功率器件的产业链中，碳化硅单晶的衬底和外延八成占据的老本是60%。因此，李辉指出，裁减碳化硅单晶和外延的老本，是裁减碳化硅通盘功率器件老本相配弥留的要领，亦然提高碳化硅功率器件阛阓渗入率的前提。

SiC功率器件挑战

尽管SiC功率器件具有诸多期间上风，但其制备面对多方面的挑战。其中，SiC是一种硬材料，其滋长速率慢且需要高温（跨越2000摄氏度），导致坐褥周期长、老本高。此外，SiC衬底的加工经由复杂，容易出现多样颓势。

现在，碳化硅衬底制备期间包括PVT法（物理气相传输法）、液相法和高温气相化学千里积法等。李辉暗示，现在行业内大限制碳化硅单晶滋长主要接收PVT法，但这种制备情景坐褥碳化硅单晶有很大的挑战性：一是碳化硅具有二百多种晶型，不同晶型之间解放能各异相配小，因此在PVT法滋长碳化硅单晶经由中很容易发生相变，就会导致存在良率低的问题。此外，相对硅提拉单晶硅的滋长速率，碳化硅单晶滋长速率相配慢，导致碳化硅单晶衬底愈加不菲。

二是PVT法滋长碳化硅单晶的温度高于2000摄氏度，导致无法精确的测温。“在这个滋长系统中，就像是一个黑匣子，咱们无法用径直的技能测试碳化硅的滋长经由。这亦然导致碳化硅单晶滋长难度大的一个原因。”

三是原料非同成份升华，滋长速率低。

四是PVT法也无法滋长高质地的p-4H-SiC、3C-SiC单晶。

李辉指出，由于4H-SiC MOSFET存在可靠性、走漏性和低寿命等颓势，导致现在中国在车规级主驱MOSFET器件的90%依赖入口。要思克服碳化硅功率器件颓势，提高阛阓渗入率，不错从几个方面来入部属手：一是裁减滋长老本。

二是滋长更大的晶体尺寸，使单片晶体尺寸上的芯片数目更高。这亦然为何最近几年8英寸碳化硅单晶衬底出现快速发展的原因。

三是发展新式的加工期间，比如激光切割期间。

四是坐褥P-4H-碳化硅单晶，竣工更高的阻断电压、更大电流。

五是从材料端，来改善MOSFET器件现在遭遇的可靠性差、走漏性差、寿命低的问题。

液相法期间的应用长进

那么，为什么要发展液相法期间？李辉暗示，滋长n型的4H碳化硅单晶(新能源汽车等)，无法滋长p型4H-SiC单晶和3C-SiC单晶。而p型4H-SiC单晶改日将是制备IGBT材料基础，将应用于高阻断电压、大电流的IGBT，比如轨谈交通和智能电网等一些应用场景。而3C-SiC将搞定4H-SiC及MOSFET器件的期间瓶颈。

她也先容，“从老本、耗能等笼统角度，高温液相法的老本会更低，展望比PVT滋长情景裁减30%。淌若再加上原料回收，这个老本将会进一步裁减。”此外，液相法滋长碳化硅由于是一种接近于热力学均衡的滋长情景，滋长的晶体颓势密度会更低，易于竣工扩径、不错得到P型晶体。

李辉也先容了中国科学院物理询查场地陈小龙敦厚的指导下，其在液相法滋长碳化硅上的进展。与硅不同，碳化硅在加热到融解之前就升华了。因此，适宜的助溶剂体系是液相法滋长碳化硅单晶的基础，主要有三方面的条目：一是大的溶C才略；二是液相区无第二相；三是适宜的固-液界面能，来调控思要滋长的是p型碳化硅单晶如故3C碳化硅单晶。

询查团队通过相图经营和现实情景，寻找了一些适宜的助溶剂体系，从而再进一步滋长需要的碳化硅单晶。现在PVT法主要挑战在于不均匀、质地差，单一晶型终端难度大，电阻高，很贫乏到高质地的P-4H-SiC单晶。因此，李辉询查团队接收液相法来坐褥P-4H-SiC单晶，询查了影响滋长速率的关节身分——界面能，通过优化生万古间参数，得到了无孔洞颓势高质地晶体，电阻率为0.1 Ω·cm，也无巨台阶聚并。

李辉先容，该询查团队最近又期骗液相法滋长了6英寸和8英寸的P-4H-SiC单晶。其中，

8英寸的P-4H-SiC单晶的厚度达到8毫米。“咱们与北京晶格畛域共同来研发，也曾竣工了P型6英寸4H-碳化硅单晶小批量的销售。咱们对它的颓势进行了询查，不错发现液相法滋长的颓势尺寸是PVT法滋长的碳化硅单晶尺寸1/10。”

在3C-SiC滋长上，中国科学院物理询查所通过高温液相法，在外洋上初度得到了3C-SiC单晶，竣工了从0到1的冲破。她暗示，“咱们前期通过调控助溶剂的构成和配比，竣工固-液界面能调控，从而在外洋上初度滋长出来了2到6英寸的3C碳化硅单晶，莫得相变，况且晶体质地口舌常高的。”

李辉也暗示，通过一系列的询查标明，液相法在滋长P型4H-SiC单晶和3C-SiC单晶上具有很显著的上风。跟着期间的不断发展，终点是国内中国科学院物理询查所、北京晶格畛域半导体有限公司、山东天岳、眉山博雅、常州臻晶半导体、连城数控、杭州科创中心、云南大学、天津理工大学等科研机构、企业参与到液相法滋长碳化硅单晶的询查，P型4H-SiC单晶和3C-SiC也会从容锻真金不怕火起来。]article_adlist-->

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（转自：广东省半导体行业协会）九游会J9

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