碳化硅(SiC)具有寬帶隙、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高熱導(dǎo)率等優(yōu)異性能，在新能源汽車、光伏和5G通訊等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。與目前應(yīng)用廣泛的4H-SiC相比，立方SiC(3C-SiC)具有更高的載流子遷移率(2-4倍)、低的界面缺陷態(tài)密度(低1個(gè)數(shù)量級(jí))和高的電子親和勢(shì)(3.7 eV)。利用3C-SiC制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可解決柵氧界面缺陷多導(dǎo)致的器件可靠性差等問(wèn)題。但3C-SiC基晶體管進(jìn)展緩慢，主要是缺乏單晶襯底。前期大量研究表明，3C-SiC在生長(zhǎng)過(guò)程中很容易發(fā)生相變，已有的生長(zhǎng)方法不能獲得單一晶型的晶體。
根據(jù)經(jīng)典晶體生長(zhǎng)理論，對(duì)于光滑界面晶體，同質(zhì)二維形核需要克服臨界勢(shì)壘，存在臨界Gibbs自由能或過(guò)飽和度，而生長(zhǎng)則可以在任意小的過(guò)飽和度下進(jìn)行。對(duì)于異質(zhì)形核，由于引入了新的固-固界面能，二維形核需克服更高的臨界勢(shì)壘。因此在相同過(guò)飽和度下，同質(zhì)形核和生長(zhǎng)在能量上明顯優(yōu)于異質(zhì)形核和生長(zhǎng)，使得后者很難發(fā)生。
近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心的陳小龍團(tuán)隊(duì)提出了調(diào)控固-液界面能，在異質(zhì)籽晶上較同質(zhì)籽晶優(yōu)先形核和生長(zhǎng)的學(xué)術(shù)思想。主要包括：1)3C(111)面和4H(0001)面的晶格失配度小，固-固界面能很低；2)4H和3C體相Gibbs自由能的差別較小；3)如果通過(guò)調(diào)控熔體成份，使得3C(111)-熔體的界面能較4H(0001)-熔體的界面能足夠低，二維形核以及后續(xù)生長(zhǎng)的Gibbs自由能則對(duì)于3C相更有利。該團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)、搭建了超高溫熔體表面張力和固-液接觸角測(cè)試設(shè)備，在高溫下測(cè)量了不同成份熔體的表面張力，熔體與4H-SiC、3C-SiC的接觸角，獲得了4H-SiC、3C-SiC與高溫熔體的固-液界面能的變化規(guī)律，驗(yàn)證了界面能調(diào)控的可行性。該團(tuán)隊(duì)利用高溫液相法，實(shí)現(xiàn)了相同過(guò)飽和度條件下3C-SiC的Gibbs自由能更低的要求，抑制了生長(zhǎng)過(guò)程中的相變，在國(guó)際上首次生長(zhǎng)出了直徑2-4英寸、厚度4-10mm、單一晶型的3C-SiC單晶，如圖1和圖2所示。
圖1. 采用高溫液相法，在六方碳化硅(4H-SiC)籽晶上實(shí)現(xiàn)了2-4英寸、厚度4-10 mm、立方碳化硅(3C-SiC)的異質(zhì)形核和晶體穩(wěn)定生長(zhǎng)
沿晶體厚度方向的Raman散射光譜測(cè)量結(jié)果表明，生長(zhǎng)一開始，3C-SiC即在4H-SiC籽晶上形核、生長(zhǎng)，兩者共存區(qū)小于20 μm，見圖2(a-b)，進(jìn)一步證實(shí)了上述理論。(111)生長(zhǎng)面的X射線搖擺曲線半高寬的平均值為30 arcsec，表明生長(zhǎng)的3C-SiC具有高的結(jié)晶質(zhì)量。3C-SiC單晶的室溫電阻率只有0.58 mΩ·cm，為商業(yè)化4H-SiC晶片電阻率(15-28 mΩ·cm)的~1/40，有望降低器件的能量損耗。
圖2. 3C-SiC晶型的確定。a) 在(111)生長(zhǎng)面上隨機(jī)選取20個(gè)點(diǎn)的Raman散射光譜圖，插圖為測(cè)試點(diǎn)在晶體上的位置分布圖。b) 沿晶體厚度方向的Raman散射光譜圖。c) 300 K測(cè)量的光致發(fā)光(PL)圖譜。d) 高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電鏡(HAADF-STEM)圖。插圖為沿[110]晶帶軸的選區(qū)電子衍射(SAED)圖
晶圓級(jí)3C-SiC單晶的生長(zhǎng)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白，使3C-SiC晶體的量產(chǎn)成為可能，也為開發(fā)性能優(yōu)異的電力電子器件提供了新的契機(jī)。同時(shí)，異質(zhì)籽晶上較同質(zhì)籽晶優(yōu)先形核和生長(zhǎng)的機(jī)制拓展了傳統(tǒng)的晶體生長(zhǎng)理論。
相關(guān)成果以“High Quality and Wafer-Scale Cubic Silicon Carbide Single Crystals為題在Energy Environment Materials (2023, 0, e12678)上發(fā)表。博士研究生王國(guó)賓和盛達(dá)為共同第一作者，李輝副研究員和陳小龍研究員為共同通訊作者。王文軍主任工程師和郭建剛研究員深度參與了本工作。相關(guān)成果已申請(qǐng)了國(guó)內(nèi)發(fā)明專利和國(guó)際PCT專利：陳小龍，李輝，王國(guó)賓，盛達(dá)，王文軍，郭建剛；用于制備3C-SiC單晶的方法；申請(qǐng)?zhí)枺?02310109001.9，PCT/CN2023/090284。以上工作得到了北京市科委、科技部、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、工信部等相關(guān)部門的大力支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/eem2.12678
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院物理研究所
