第三代半導體材料SiC晶體生長設備技術及進展分析

楊茜

摘要：半導體技術的發(fā)展需要以半導體材料作為支撐，而在不斷的發(fā)展過程中，半導體材料先后經過了多次演變，當前被廣泛應用的是第三代半導體材料，其典型代表包括氮化鎵（GaNg）、氧化鋅（ZnO）、金剛石以及碳化硅（SiC），相比較前兩代材料，第三代半導體材料的禁帶寬度更大、導熱率更高、抗輻射能力更強，能夠實現(xiàn)更好地電子濃度以及運動控制。本文以SiC為例，對其晶體生長設備技術及研究進展進行了分析和討論。

關鍵詞：第三代半導體材料;SiC;晶體生長設備;技術

前言：半導體材料發(fā)展過程中，先后經歷了以硅（Si）為代表的第一代，以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代以及以碳化硅（SiC）為代表的第三代，對比第一代和第二代半導體材料，第三代半導體材料SiC的性能更加優(yōu)越，應用領域更廣、產業(yè)關聯(lián)性更大，被廣泛的應用在移動通信、智能電網(wǎng)、太陽能、新能源汽車等領域，對于社會經濟的穩(wěn)定健康發(fā)展有著非常積極的作用。

1 SiC晶體的特性

SiC本身是由石英砂、煤焦、木屑等在電阻爐內高溫冶煉得到，是一種無機物，自然界中同樣存在。SiC具有穩(wěn)定的化學性能，導熱系數(shù)高，熱膨脹系數(shù)小，可以制作高級耐火材料，耐熱性好，強度高且自重輕，有著良好的節(jié)能效果。低品級SiC（SiC含量85%左右）具備良好的脫氧性，可以加快煉鋼的速度，方便對鋼材的化學成分進行控制，促進其質量的提高平。不僅如此，SiC還可以被應用到電熱元件硅碳棒的制作中。

SiC的應用領域體現(xiàn)在幾個方面：分別是功能陶瓷、高級耐火材料、磨料、冶金材料，當前，SiC粗料已經得到了大量供應，但是其本身并不屬于高新技術產品，技術含量較高的納米級SiC粉體在短時間內，依然無法實現(xiàn)規(guī)模化生產。以“三耐”材料為例，憑著SiC本身耐腐蝕、耐高溫和抗沖擊等特性，可以用于冶煉爐襯以及碳化硅板、襯板等，也可以用于有色金屬冶煉中的高溫間接加熱材料，如豎罐蒸餾爐、精餾爐塔盤、鋁電解槽等

在對SiC晶體進行制備的過程中，可以采用的方法包括高溫化學氣象沉積法、物理氣象輸運法以及液相法等，其中最為常見的是物理氣象輸運法，其基本原理，是利用中頻感應圈，對高密度的石墨發(fā)熱體進行加熱，石墨坩堝底部填充碳化硅原料，相隔一定距離設置碳化硅籽晶，整體放入石墨發(fā)熱體中，通過外部石墨氈來對溫度進行調節(jié)看主機hi，確保氧化硅原料能夠處于高溫區(qū)，碳化硅籽晶則處于低溫區(qū)。通過這樣的方式，碳化硅原料在分解后形成的氣相組分會向低溫區(qū)輸送，圍繞碳化硅籽晶逐漸生長成為碳化硅晶體。

2 SiC晶體生長設備技術

SiC晶體生長設備要求能夠滿足“改進升華法”（見圖1）的技術要求，將外延生長的工藝需求考慮在內。

SiC晶體生長對于很多條件都有著嚴苛的要求，最為核心的工藝參數(shù)包括隔熱性強、密封性好以及工作溫度高（2000-2500℃）等，加熱設備需要選擇中頻電源感應加熱，提升溫度控制的效果，同時選擇高溫密封和高效冷卻系統(tǒng)，在整個晶體生長過程中，都必修切實做好加熱溫度的測量和控制。

SiC晶體生長設備包含了多個子系統(tǒng)，分別是SiC晶體生長室、坩堝加熱、溫度控制、真空測量、氣體供給與過濾、籽晶桿運動及控制以及水冷系統(tǒng)。

3 SiC晶體生長設備技術進展

3.1國際進展

作為第三代半導體材料的典型代表，SiC晶體生長設備技術在很多國家都得到了足夠的重視，研究處于國際前列同時形成一定生產規(guī)模的包括德國的SiCrystal公司、美國的Dow Corning公司、日本的Nippon Steel公司等，其產品以LED、微波器件、電力電子器件等為主。不過，這些公司從保護自身技術的角度，并沒有面向市場提供相應的SiC晶體生長設備，在可以查閱到的公開文獻中，很難看到相關報道，而向市場提供SiC晶體生長設備的廠商主要是德國AIXTRON 公司、PVA Tepla公司、Linn公司和美國的GTAT公司等。

不過，國外生產的設備普遍存在著價格偏高的問題，而且設備生產商本身并不會針對SiC晶體生長工藝進行研究，同時SiC晶體生長工藝對于設備又有著極強的依賴性，設備生長工藝參數(shù)會直接影響SiC晶體的質量?；诖?，即便引入了國外先進的設備，依然需要加強對于SiC晶體生長工藝的自主研究，這樣才能得到高質量的SiC晶體材料。

3.2國內進展

我國從20世紀60年代開始，就已經借助物理氣象輸運法嘗試進行SiC晶體生長實驗，但是實驗成果并不理想，無法得到高質量大尺寸的SiC晶體。1996年，國家在“863”計劃中納入了SiC晶體生長項目，2000年國家自然科學基金也提供了相應的經費支持，推動了相關研究的快速發(fā)展。就目前而言，我國很多單位在SiC晶體生長研究以及產業(yè)化方面都取得了顯著成果，以山東大學晶體材料國家重點實驗室為例，在從國外引進先進SiC晶體生長設備的基礎上，又自主研發(fā)了相應的SiC晶體生長爐，經過十數(shù)年的研究，于2011年，實現(xiàn)了SiC晶體重大項目的產業(yè)化發(fā)展?，F(xiàn)如今，山東大學晶體材料實驗室已經可以利用自主研發(fā)的SiC晶體生長爐，得到2英寸、3英寸和4英寸的導電型及半絕緣型晶體，生產出的SiC晶體在市場上進入了批量銷售的階段。

中科院物理研究所同樣從1999年就已經開始了對于SiC晶體生長技術的研究，開發(fā)出了SiC晶體生長爐，并于2006年和天富熱電合作，成立了北京天科合達藍光半導體有限公司，開始了產業(yè)化探索的腳步，借助自主研發(fā)設備，生產出了2英寸SiC單晶襯底，實現(xiàn)了產業(yè)化，之后相繼研發(fā)成功了3英寸和4英寸的SiC單晶襯底，同樣進入到了批量銷售階段。2014年底，中科院物理研究所的研究人員與北京天達公司達成協(xié)議，借助自主研發(fā)的SiC晶體生長爐，完成了對于6英寸SiC晶體的加工。SiC晶體生長爐的核心技術參數(shù)如下：

爐內真空度：在極限條件下，SiC晶體生長爐內部的真空度最高可以達到6.6×10-4Pa;

系統(tǒng)漏率：在停泵關機時間超過12h的情況下，爐內的真空度在10Pa以下;

系統(tǒng)抽速：開機60min以內，真空度不超過2×10-3Pa;

爐體快提拉速度連續(xù)升降可調：超過50mm/min（含）;

坩堝快提拉速度連續(xù)升降可調：超過50mm/min（含）;

坩堝轉速：0-30r/min;

溫度測量控制范圍：1000℃-2600℃;

溫度控制精度范圍：±1℃。

另外，西安理工大學、中科院上海硅酸鹽研究所以及中國電子集團等單位也在不斷進行SiC晶體生長設備的自主研發(fā)，對于相關技術的研究從未停止，中科院上海硅酸鹽研究所研發(fā)出的SiC晶體生長設備在配合50.8mm和76.2mm直徑的SiC單晶生長技術的情況下，成功生產出了100mm直徑的4H型SiC單晶。

針對我國多家研究機構自主研究的SiC晶體生長設備以及得到了SiC單晶產品進行分析，其在尺寸、質量等方面，相比較國際先進水平依然存在有不小的差距，以全球SiC晶體龍頭企業(yè)Gree公司為例，其本身在國際SiC基片市場中，占據(jù)了較高份額，而結合該公司在“ICSCRM 2013”國際SiC學會上發(fā)布的內容分析，截止2013年，使用6英寸產品功率元件的微管密度通常單個體積在1cm2以下，平均水平可以達到0.5cm2，最佳狀態(tài)甚至能夠達到0.01cm2，而我國的產品最佳狀態(tài)只能達到0.19cm2。

結語

總而言之，伴隨著半導體技術的快速發(fā)展，對于半導體材料的研究也受到了相關部門的重視。從技術層面分析，我國在寬帶半導體技術領域，距離國際領先水平依然存在一定差距，分析原因，一方面是因為我國在相關技術方面額研究起步較晚，另一方面則是國外掌握高端技術的企業(yè)禁止設備和技術外銷。面對第三代半導體材料發(fā)展中存在的各種問題，科研機構需要進一步加強對于SiC晶體生長技術及設備的研究，注重設備的自主研發(fā)工作，將SiC晶體生長工藝與生長設備緊密結合起來，推動技術的完善和設備的優(yōu)化，逐步實現(xiàn)SiC晶體生產的產業(yè)化發(fā)展。

參考文獻

[1]邢根源.SiC單晶生長設備熱場設計及仿真分析[D].吉林大學，2020..

[2]李留臣.晶體要發(fā)展 設備是關鍵——記陳創(chuàng)天院士對人工晶體生長設備的關心與重視[J].人工晶體學報，2019，48（10）：1859..

[3]康宏.泡生法晶體生長設備控制系統(tǒng)的研究[D].西安理工大學，2018.

[4]解亞軍 微波合成SiC晶體的工藝研究[D].鄭州大學，2016.