天岳先进又实现一项SiC技术突破
4月11日，国际晶体生长领域权威期刊《Journal of Crystal Growth》刊登了天岳先进的最新研究成果《采用液相法生长技术研发6英寸p型4H-SiC衬底及其性能表征》。
论文显示，天岳先进成功制备了高质量p型4H-SiC单晶，在晶体质量、电学均一性、长载流子寿命以及创新性热场设计方面均取得突破进展——电阻率不均匀性仅4%，螺位错密度（TSD）仅为12个/cm²，比n型SiC衬底低一个数量级。
图(a)：p型4H-SiC单晶表面形貌均匀；图(b)和(c)：2-8英寸p型SiC衬底
这是继全球首发8英寸液相法SiC晶体、12英寸p型SiC衬底后，天岳先进在p型SiC技术方面的又一新突破。该团队认为，这项工作为大尺寸高品质p型SiC衬底提供了可行的技术路径，为其在高性能电力电子领域的应用奠定了坚实基础。
大直径、高品质p型4H-SiC衬底的开发对于推动下一代超高电压功率器件（如n沟道IGBT）的发展至关重要。据预测，万伏千安的电网级SiC器件市场需求将超过汽车行业。
然而，传统PVT生长方法在制备大尺寸p型SiC衬底的均匀电阻率和高结晶质量方面面临挑战，主要原因是在高温低压下难以可控地将铝（Al）掺入SiC晶体中。
而液相法作为一种更接近热力学平衡的工艺，在可控p型掺杂方面具有明显优势，可以生长缺陷更少的SiC晶体，尤其适合进行重铝掺杂，是制备高性能p型SiC衬底的理想技术路径。
但是，液相法制备p型SiC衬底如何兼顾扩径、低缺陷和掺杂均一性等众多要素一直是业内公认的国际难题。此前，液相法制备的p型SiC衬底尺寸偏小，限制了其成本降低与下游应用。
天岳先进液相法研发团队通过耦合数值模拟与实验，系统揭示了溶液生长中SiC晶体尺寸增大导致质量下降的理论原因——溶液内部热传递效率低下，导致严重的形貌不均匀性。
为此，该团队通过创新性的热场设计，并采用强化受迫对流和半球形辐射屏蔽装置等方法改善生长界面温度均一性，实现对低温区的有效热补偿，确保了大直径P型SiC晶体的稳定生长。
天岳先进创新性的热场热设计解决对流和温控难题
基于优化后的工艺，天岳先进成功制备p型4H-SiC单晶，并加工成厚度350μm的衬底。
在结晶质量方面，拉曼检测显示该衬底100%为4H晶型，XRD摇摆曲线半高宽（FWHM）平均值低至15.6弧秒，最低值达14.1弧秒。
在电学性能方面，检测结果显示，该衬底的铝掺杂浓度高达1.3×10²⁰atoms/cm³，衬底电阻率不均匀性仅为4%，同棒中轴向电阻率差异仅2%，展示出极高的生长稳定性和轴向掺杂均匀性。
p型SiC衬底的电阻率（图a）与X射线衍射摇摆曲线（图b）
在载流子寿命方面，检测结果显示，在掺杂浓度高出两个数量级的情况下，该衬底的载流子寿命平均值达到354 ns，优于同类p型外延层，表明晶体中点缺陷密度极低。
XRT检测结果显示，该衬底还具备较低缺陷密度。例如，TSD密度可低至12 cm⁻²，比传统n型衬底低一个数量级。
p型SiC衬底的载流子寿命（左）与TSD缺陷密度（右）
为了验证该生长方法的稳定性，该团队还对连续20次生长过程中的TSD密度进行了统计分析。结果显示TSD密度平均值为24 cm⁻²，最高值为45 cm⁻²，这一数值仍远低于通常在PVT生长晶体中观察到的水平。如此低的TSD密度有望使所制备的电子器件性能更加可靠和稳健。
此外，该研究还观察到了TSD被宏观台阶转化为Frank型层错的现象，这展示了溶液生长法能降低缺陷密度晶体的内在机制。
SiC衬底材料因其卓越的物理性能，在以电动汽车为代表的新能源领域应用不断深化，其重要性日益凸显。面向未来声、光、电、热等多领域、多维度应用的发展需求，SiC衬底材料是技术落地与产业化的核心基础。
在SiC器件制备的各单一环节中，衬底材料的制备时间、工艺成本占比较高，其质量直接决定了器件的良率和性能，SiC外延工艺的质量也高度依赖甚至取决于衬底材料。
因此，天岳先进本次技术突破，为生产高质量p型SiC衬底提供了一条切实可行的技术路径，其意义远不止于材料本身。
高质量、大尺寸的p型SiC衬底是构建超高压（如20kV）IGBT的基础。它具备更长的载流子寿命与良好的电学均匀性，可确保SiC基IGBT实现更优的电导调制效应，从而获得比单极器件更低的导通压降，提升电力转换系统的效率。这不仅是一项技术成果，更是一种面向新产业化的解决方案，为碳化硅衬底材料在人工智能能源架构、智能电网、轨道交通及工业驱动等高压领域的广泛应用扫清了关键技术障碍。
本文发自【行家说三代半】，专注第三代半导体（碳化硅和氮化镓）行业观察。
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