中科院物理所&晶格领域：晶圆级高晶体质量p型碳化硅单晶的制备

研究背景

碳化硅（SiC）因其优异的性能，成为电动汽车、光伏和轨道交通等领域的重要材料。特别是n沟道绝缘栅双极型晶体管（n-IGBT）因其高电压和低导通电阻性能，广泛应用于基于4H-SiC的器件。然而，n-IGBT的发展受限于缺乏高晶体质量的晶圆级p型4H-SiC单晶。这种情况促使研究人员深入探索生长高质量p型SiC单晶的方法。

研究思路

为了克服传统物理气相传输（PVT）方法在生长p型SiC时的缺陷，研究团队采用了高温溶液生长（HTSG）技术，特别是顶籽溶液生长（TSSG）技术。HTSG技术相比PVT具有更低的生长温度（1700-2000°C）和更好的缺陷抑制能力，例如无微管（MPs）的生长。这种方法在接近热平衡的条件下进行，有助于实现均匀掺杂和高晶体质量的p型SiC单晶。

研究内容

研究团队详细介绍了TSSG技术的实验过程，包括使用高纯度铝金属颗粒作为溶剂添加剂，通过石墨坩埚和石墨支架在中频感应加热炉中进行SiC单晶的生长。在整个生长过程中，保持液相中的铝含量恒定，以实现均匀的p型掺杂。生长结束后，SiC锭沿[0001]方向和（0001）平面切片，以研究单晶中的缺陷。通过拉曼光谱、X射线摇摆曲线（XRC）、光学显微镜（OM）、三维激光共焦显微镜（LCOM）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、原子力显微镜（AFM）等多种表征方法对生长出的SiC锭和晶片进行了详细的表征和分析。

图文解析

图1：SiC单晶中缺陷的表征

图1展示了通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和激光共焦显微镜（LCOM）对碳化硅（SiC）单晶中缺陷的详细表征。在反射模式下观察到的OM图像显示了SiC晶片中的缺陷，这些缺陷在生长初期形成，并随着生长的继续，其大小和密度逐渐减少，直到完全消失。通过SEM观察发现，缺陷位于SiC籽晶与高温熔体接触界面附近，显示出蛋形形态，且缺陷内部为空隙。

LCOM测得的缺陷截面和高度轮廓进一步确认了这些缺陷的空隙性质。能量色散X射线光谱（EDX）分析显示，缺陷区域主要由硅元素组成，而非缺陷区域则由硅和碳组成，符合SiC的成分。这些空隙在显微镜下显示出亮边轮廓，验证了其空隙特性。空隙的形成机制与生长初期的气泡运动和捕获有关，空隙的存在可能会影响SiC的晶体质量，进而影响其在高性能器件中的应用。

图2：SiC晶片中气泡诱导的空隙缺陷表征

在SEM图像中，可以看到沿[0001]方向的SiC晶片横截面中存在空隙，这些空隙在生长初期形成，通常距离SiC籽晶约10微米。放大的SEM图像揭示了这些空隙的内部结构，显示出蛋形的特征，并伴随有堆垛层错（SFs）和晶格变形。空隙的形成被认为是由于在高温熔体与SiC籽晶接触界面形成的气泡所致，这些气泡在生长过程中被捕获，导致形成了空隙。

LCOM测量显示，这些空隙的高度和形状，进一步证实了空隙的存在。EDX分析表明，空隙内部主要是硅元素，这与SEM观察到的结果一致。

拉曼光谱图显示，空隙周围存在堆垛层错的特征拉曼峰，特别是在781 cm⁻1处的峰值，这表明这些缺陷对晶体结构有显著影响。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像进一步确认了在空隙周围形成的堆垛层错和晶格变形。

图3：TSSG技术生长的4英寸p型4H-SiC锭的表征

照片展示了成功生长的4英寸p型4H-SiC单晶，其表面平整且具有良好的晶体形态。拉曼光谱图在随机选取的五个点上显示了相同的特征拉曼峰，验证了所生长晶体为4H-SiC，并且没有其他多型的存在。这表明晶体具有一致的晶相和高质量的晶体结构。

X射线摇摆曲线（XRC）光谱测量了（0004）平面的全宽半高（FWHM）值，显示出这些晶体具有高晶体质量。随机测量的五个点的XRC FWHM值分别为18.0、18.0、18.0、18.0和21.5弧秒，平均值为19.4弧秒，这是已报道的p型4H-SiC单晶中的最佳结果之一。

电阻率测量显示，在10毫米厚度方向上的电阻率偏差仅为7.89%，这也是报道中的最佳结果之一。这表明通过TSSG技术生长的SiC单晶具有均匀的掺杂和一致的电学性能。

光学显微镜（OM）和原子力显微镜（AFM）图像显示了晶体表面的台阶流动生长模式，台阶高度非常小，最小仅为1纳米。这表明晶体表面非常平整，进一步验证了晶体的高质量。

图4：沿[0001]方向生长的SiC单晶的表征

在反射和透射模式下观察到的光学显微镜（OM）图像显示，生长的SiC单晶晶片表面没有明显的缺陷，表明改进的生长工艺有效地减少了缺陷的形成。在（0001）平面观察到的OM图像也未见明显的空隙，进一步确认了高质量的晶体生长。

高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像展示了SiC单晶的微观结构，显示出沿[0001]方向完美的ABC堆叠序列，没有堆垛层错（SFs）和其他晶格缺陷。这表明，通过在生长前在高温熔体中溶解SiC籽晶的方法，成功地消除了气泡诱导的空隙缺陷，从而显著提高了晶体的质量。

图5：腐蚀后的p型4H-SiC单晶晶片的表征

腐蚀后的光学显微镜（OM）图像显示了p型4H-SiC单晶晶片表面的位错刻蚀坑。图像中显示出这些刻蚀坑的密度很低，平均值为888.89 cm⁻2，远低于通过物理气相传输（PVT）技术生长的商业SiC籽晶（5777.78 cm⁻2）。这种显著降低的位错密度表明，通过TSSG技术生长的SiC单晶具有更高的晶体质量。

放大的OM图像和扫描电子显微镜（SEM）图像展示了刻蚀坑的典型形态和尺寸。TSSG技术生长的SiC单晶的位错刻蚀坑尺寸约为1-2微米，仅为通过PVT技术生长的SiC刻蚀坑尺寸（约10微米）的1/10。这种小尺寸的刻蚀坑进一步证明了TSSG技术在抑制缺陷形成方面的优势。

研究结论

通过TSSG技术成功生长出晶圆级的p型4H-SiC单晶，其晶体质量高、低电阻率和均匀掺杂。研究表明，这些单晶中位错刻蚀坑的密度很低，且没有观察到基平面位错（BPDs）和微管（MPs），这对于制造高性能的n沟道SiC器件如n-IGBT具有重要意义。研究还指出，通过消除气泡诱导的空隙缺陷，可以显著提高单晶的质量。这项研究为未来制造高电压SiC基器件提供了坚实的材料基础。

原文链接：Wang, G.; Sheng, D.; Yang, Y.; Zhang, Z.; Wang, W.; Li, H. Wafer-Scale p-Type SiC Single Crystals with High Crystalline Quality. Cryst. Growth Des. 2024. DOI:10.1021/acs.cgd.4c00486.

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