作为第三代宽禁带半导体材料，SiC（碳化硅）凭借其优异的物理和电学特性，尤其在高频、高压和大功率半导体器件中展现出广泛的应用前景。SiC的应用领域涵盖了电力电子、通信、汽车、能源等多个行业，是支撑现代高效、稳定能源系统和未来智能电动化发展不可或缺的基础材料。然而，SiC单晶衬底的制备仍然面临着高技术壁垒，尤其是在晶体生长过程中，高温低压环境和多种环境变量的影响使得产业化应用进展缓慢。

目前，物理气相输运法（PVT）是产业化应用中最为常见的SiC单晶生长方法，但这一方法在生长p型4H-SiC和立方SiC（3C-SiC）单晶方面存在显著难度。PVT方法的局限性使得在特定应用，如高频、高压、大功率IGBT（绝缘栅双极型晶体管）器件和高可靠性、长寿命MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）器件的制备中，SiC材料的性能难以满足市场需求。

在此背景下，液相法作为一种新兴的SiC单晶生长技术，显现出独特的优势。液相法尤其在生长p型4H-SiC和3C-SiC单晶方面，能够在较低温度下实现较高质量的晶体生长，为制造高效能半导体器件奠定了基础。与PVT法相比，液相法在生长过程中可控制更多的因素，尤其在晶体的掺杂、晶格结构和生长速率上，展现出更大的灵活性和可调性，这为解决传统SiC制备中的难题提供了有效途径。

尽管液相法在产业化过程中仍面临一定的技术挑战，如晶体生长的稳定性、成本控制及设备要求等，但随着市场需求的持续增长以及技术研发的不断突破，液相法在未来有望成为一种主流的SiC单晶生长方法。特别是在高功率、低损耗、高稳定性及长寿命的电子器件制造中，液相法将为碳化硅产业的进一步发展提供强有力的支持。

近日，中国科学院物理所副研究员李辉以“液相法生长碳化硅单晶”为主题，分享了液相法在不同晶型SiC单晶生长中的应用解决方案，尤其是在3C-SiC和p型4H-SiC单晶的制备方面取得的突破。这些成果不仅为碳化硅材料的进一步产业化提供了新的技术路线，也为车规级、工业级以及高端电子器件的开发打下了坚实的基础。

碳化硅的显著物理性能优势

李辉副研究员指出，尽管硅（Si）目前仍是应用最广泛的功率半导体材料，但碳化硅凭借其卓越的物理特性，逐渐在功率半导体器件中占据了一席之地。具体而言，碳化硅的主要优势包括：

1. 更高的击穿电场：碳化硅的击穿电场是硅的10倍，意味着它可以承受更高的电压而不发生击穿，这使得SiC器件在高压应用中具有显著的竞争力。

2. 更高的饱和电子漂移速率：SiC的电子漂移速率是硅的2倍，这意味着SiC能够在更高的频率下工作，从而提升器件的工作效率和响应速度，特别适用于需要高速响应的应用场景。

3. 更高的热导率：SiC的热导率是硅的3倍，且是砷化镓（GaAs）的10倍，这使得SiC材料能够更加高效地散热，适应更高的功率密度，并显著减少器件在高负载下的热损耗。

4. 这些突出的物理性能，使得碳化硅在高温、高频、高耐压和小型化等领域表现尤为出色，极大地提高了功率半导体器件的可靠性和整体效率。

碳化硅在功率器件中的应用优势

李辉副研究员进一步指出，碳化硅制备的功率器件在多个方面展现出了明显的优势：

1. 更高的阻断电压：SiC功率器件的阻断电压显著高于硅基器件。在300V至4.5kV范围内，SiC器件有望替代硅基器件，尤其在高压应用中，SiC器件能够承受更高的电压，提升系统的稳定性和可靠性。

2. 更高的开关频率：碳化硅材料的高电子漂移速率使得SiC功率器件能够在更高的频率下开关，从而提高了系统的工作效率，减少了功率损耗。更高的开关频率对于实现高效能量转换和小型化电力电子设备至关重要。

3. 更强的耐高温性能：SiC材料的高热导率和良好的热稳定性使得其能够在更高的温度下稳定工作，这对于一些恶劣环境下的应用尤为重要，如航空、汽车和电力传输等领域。

4. 更高的功率密度：由于碳化硅的优异散热性能，SiC功率器件能够支持更高的功率密度，从而推动功率半导体器件的小型化，适应紧凑型设计要求。这对于提升系统集成度和降低系统成本具有重要意义。

5. 这些应用优势使得碳化硅在高压、高频、高温、高功率密度等领域展现出独特的竞争力，广泛应用于电动汽车、可再生能源、电力传输以及工业自动化等多个领域。

SiC功率器件的挑战

尽管SiC功率器件具有诸多技术优势，但其制备过程仍面临多方面的挑战。首先，SiC是一种硬材料，其生长速度较慢且需要高温（超过2000摄氏度）环境，这导致生产周期较长、成本较高。此外，SiC衬底的加工过程相对复杂，容易产生各种缺陷，影响器件的性能。

目前，碳化硅衬底的制备技术包括物理气相传输法（PVT法）、液相法和高温气相化学沉积法等。李辉副研究员表示，当前行业中大规模碳化硅单晶生长主要采用PVT法，但这种方法在生产碳化硅单晶时面临许多挑战：

1. 晶型多样性导致的生长难度：碳化硅有超过200种不同的晶型，而这些晶型之间自由能差异非常小，因此在PVT法生长过程中，容易发生相变，导致良率较低。

2. 生长速度慢且成本高：与硅材料相比，碳化硅单晶的生长速度非常缓慢，这直接导致了SiC单晶衬底的成本居高不下。

3. 高温环境下的测量困难：PVT法生长碳化硅单晶的温度通常高于2000摄氏度，这使得精确测量生长过程中的温度变得极为困难。李辉指出：“在这种生长系统中，就像是一个黑匣子，我们无法用直接的手段监测碳化硅的生长过程。这也是碳化硅单晶生长难度大的原因之一。”

4. 原料和生长速率的局限性：PVT法在原料非同成分的升华过程中，生长速率较低，进一步限制了生产效率和成本的降低。

5. 难以生长高质量的特定晶型：PVT法还无法有效生长高质量的p-4H-SiC和3C-SiC单晶，这限制了某些特定应用领域的需求。

李辉指出，由于4H-SiC MOSFET（绝缘体上金属氧化物半导体场效应晶体管）存在可靠性和性能方面的挑战，未来的研究和技术发展需要克服这些制约因素，以提高SiC器件的性能和制造效率。

液相法技术的应用前景

那么，为什么要发展液相法技术呢？李辉副研究员表示，尽管目前的技术能成功生长n型4H碳化硅单晶，但依然无法有效生长p型4H-SiC单晶和3C-SiC单晶。p型4H-SiC单晶未来将在IGBT（绝缘栅双极型晶体管）材料制备中发挥重要作用，广泛应用于高阻断电压、大电流的IGBT器件中，尤其适用于轨道交通、智能电网等高要求的应用场景。而3C-SiC则有望突破4H-SiC和MOSFET器件的技术瓶颈，提供更高效的解决方案。

李辉进一步介绍道：“从成本、能效等综合角度来看，高温液相法的成本将显著低于传统的PVT生长方法，预计能够降低约30%的成本。如果再加上原料回收技术的应用，成本还将进一步降低。”此外，液相法由于接近热力学平衡的生长方式，能够显著减少晶体缺陷密度，且便于实现晶体的扩径，从而有望获得高质量的P型碳化硅单晶。

李辉还分享了中国科学院物理研究所在陈小龙教授的带领下，在液相法生长碳化硅方面的最新进展。与硅不同，碳化硅在加热至熔化温度之前就会发生升华，因此，选择合适的助溶剂体系成为液相法生长碳化硅单晶的关键。李辉指出，理想的助溶剂体系需满足三个主要要求：一是具备较大的溶C能力；二是液相区内无第二相的出现；三是具有合适的固-液界面能，以调控生长的是p型碳化硅单晶还是3C碳化硅单晶。

研究团队通过相图计算和实验研究，已经找到了几种适合的助溶剂体系，并通过实验验证了其在液相法生长中的有效性，推动了液相法技术在碳化硅单晶制备中的应用前景。

3C-SiC生长的突破与应用前景

在3C-SiC的生长技术方面，中国科学院物理研究所通过高温液相法，在国际上首次成功获得了3C-SiC单晶，标志着从0到1的重大突破。李辉副研究员指出：“我们前期通过调控助溶剂的组成和配比，成功实现了固-液界面能的精确调控，从而在国际上首次生长出了2到6英寸的3C碳化硅单晶。这些晶体没有发生相变，且晶体质量非常高。”

李辉还表示，通过一系列的研究，液相法在生长P型4H-SiC单晶和3C-SiC单晶方面展现出了显著的优势。随着技术的不断进步，特别是在国内多个科研机构和企业的共同努力下，液相法生长碳化硅单晶的技术将逐步成熟。

随着P型4H-SiC单晶和3C-SiC单晶的不断突破和发展，液相法将在未来的半导体材料制造领域中占据越来越重要的位置，为高性能功率器件的广泛应用提供更加可靠和经济的技术支持。