基于SiC單晶制備的功率器件具有耐高溫、低損耗、耐高壓等優(yōu)良性能，能夠滿足電力電子系統(tǒng)的輕量化、高效率和小型化的需求，在新能源汽車、軌道交通、5G基站、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域正在掀起一場替代傳統(tǒng)硅基功率器件的革命。溶液法生長SiC單晶具有晶體結(jié)晶質(zhì)量高、易實現(xiàn)晶體擴徑、易實現(xiàn)低溫生長、易實現(xiàn)穩(wěn)定的P型摻雜等獨特的優(yōu)勢，有望在將來成為大規(guī)模量產(chǎn)SiC單晶的主要方法。然而，由于Si-C二元溶液中C在硅熔體中的溶解度極低，導(dǎo)致采用Si-C二元溶液無法實現(xiàn)SiC單晶的快速生長。因此，如何提高Si-C溶液中的C的溶解度是實現(xiàn)SiC單晶快速生長需要解決的首要問題。另外，3C-SiC的載流子遷移率、熱傳導(dǎo)性能、機械性能都優(yōu)于目前商用的4H-SiC，有助于制造可靠和長壽命的器件，但3C-SiC不穩(wěn)定，在高于2173 K的高溫下會轉(zhuǎn)變成六方多晶。因此，要想實現(xiàn)3C-SiC單晶的穩(wěn)定生長，需開發(fā)新型助溶劑，在溫度低于2173K時提高硅基溶液中的C溶解度，以提高溶液法生長3C-SiC單晶的生長速度。
近日，昆明理工大學(xué)雷云、馬文會等與北京青禾晶元半導(dǎo)體科技有限責(zé)任公司母鳳文等合作，在晶體學(xué)著名期刊Crystal Growth & Design上發(fā)表2篇題為“Rapid growth of high-purity 3C-SiC crystals using a SiC saturated Si–Pr–C solution”和“Promising Approach for Rapid Growth of High-Quality SiC Crystals Using Si−Nd−C Solutions”的研究論文。論文分別報道了采用Pr和Nd作為助溶劑成功地在低溫下（1823~1923K，注：與PVT法的生長溫度>2473 K相比是低溫）在SiC飽和的硅熔體中獲得超高的C溶解度，并且添加的助溶劑在3C-SiC晶體中的殘留量可低于GD-MS的檢測極限（<0.05 ppmw），有望解決助溶劑對SiC晶體污染的問題。當(dāng)助溶劑和石墨坩堝的純度均低于99.9%時，獲得的3C-SiC的純度高于99.995%。
另外，如果要實現(xiàn)在低溫下的硅基溶液中生長3C-SiC單晶，除了要提高硅基溶液中C的溶解度和降低助溶劑對SiC晶體的污染外，SiC物相必須是硅基溶液中唯一穩(wěn)定存在的固相。當(dāng)采用Pr含量為25mol%~35mol%的Si-Pr合金和采用Nd含量為25mol%~42mol%的Si-Nd合金時，在1823-1923K下可獲得SiC穩(wěn)定存在（SiC飽和）的Si-Pr-C和Si-Nd-C溶液。且在1923K，SiC飽和的Si-Pr-C和Si-Nd-C溶液中C的溶解度最高分別可達(dá)到2.7 mass%（13.5 mol%）和5.16 mass%（25.83 mol%）。研究結(jié)果為溶液法低溫快速生長高質(zhì)量的3C-SiC單晶提供了理論基礎(chǔ)和新的契機。研究工作得到國家自然科學(xué)基金項目的資助。
圖1. （a）溫度為1823-1923K時，當(dāng)Si-Pr合金中的Pr含量高于25at.%，C在Si-Pr熔體中的溶解度急劇增加；（b）在相同溫度下，C在Si-Pr熔體中的溶解度高于目前已報道的Si-40at.%Cr、Si-23at.%和Si-60at.%Fe熔體。
圖2. （a）溫度為1823-1923K時，當(dāng)Si-Nd合金中的Nd含量高于25at.%，C在Si-Nd熔體中的溶解度急劇增加；（b）在相同溫度下，C在Si-Nd熔體中的溶解度高于目前已報道的Si-40at.%Cr、Si-23at.%和Si-60at.%Fe熔體。
圖3. 當(dāng)溫度為1923K，溫度梯度為33 K/cm，Si-Nd、Si-Pr、Si-Ti、Si-Cr、Si-Fe合金中的助溶劑均為35mol%時，Si-Nd-C和Si-Pr-C溶液中的SiC晶體析晶能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Si-Cr-C、Si-Ti-C和Si-Fe-C溶液中SiC晶體的析晶能力（對比結(jié)果分別見左邊4幅圖和右邊4幅圖）。
圖4. 采用酸洗的方法去除SiC晶體之間的溶劑夾雜相后（圖a-d），用GD-MS檢測得到SiC的純度>99.995%，Pr的含量低于GD-MS的檢測極限（<0.05 ppmw）；獲得的SiC晶體為單一的3C-SiC（圖e）。
通訊單位：昆明理工大學(xué)；
合作單位：北京青禾晶元半導(dǎo)體科技有限責(zé)任公司
第一作者：鄧幻、李鵬；
通訊作者：雷云
文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.cgd.3c01183；https://doi.org/10.1021/acs.cgd.3c00409。
