宽禁带科技论|上硅所：3C-SiC 晶体制备研究进展

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本文系统综述了立方碳化硅（3C-SiC）半导体晶体材料的生长技术，涵盖化学气相沉积（CVD）、物理气相输运（PVT）、升华外延（SE）及顶部籽晶溶液生长（TSSG）等方法及其研究进展，并对比了各技术对应的晶体结构、物理特性和应用优势。文章从热力学特征与生长特性出发，分析了不同技术路径的差异，总结了微观层面的晶体生长机制，为3C-SiC的制备与工艺优化提供了理论参考，最后对其未来发展趋势进行了展望。

研究背景

碳化硅（SiC）晶体因其优异的宽禁带半导体特性，已成为新能源汽车、光伏等高压大功率领域的核心半导体材料。其中，立方晶系的3C-SiC具备超高热导率、更高的沟道迁移率，以及更理想的带隙与界面特性，在高功率器件、高效光伏及下一代芯片衬底等领域展现出独特潜力。然而，高质量3C-SiC晶体的制备仍面临诸多挑战，如晶型稳定性控制、高质量籽晶获取、结晶缺陷抑制等，这些问题严重制约了其规模化应用，亟待进一步研究与突破。

图文导读

碳化硅（SiC）晶体是一种具有独特物理化学性质的宽禁带化合物半导体材料。其C–Si化学键及双层C–Si排列结构，赋予SiC高硬度、高导热率、高饱和漂移速率、宽禁带与高击穿场强等优异特性。近年来，SiC半导体因其卓越的材料性能，在高频、大功率、小型化器件领域备受关注。

3C-SiC是SiC晶体家族中唯一具有立方晶系的结构，其晶体构型与闪锌矿结构相同。3C-SiC的生长温度范围约在1000~2750 ℃之间，几乎覆盖其他SiC多型的生成温度区间。因此，在生长其他晶型时易受3C-SiC干扰，反之亦然。如何有效抑制多型共生、实现单一3C-SiC晶型的稳定生长，是当前面临的重要科学挑战。

1983年，Nishino等人首次提出采用两步化学气相沉积（CVD）工艺，在(100)Si衬底上引入“缓冲层”，成功制备出大面积的3C-SiC单晶薄膜。该工艺现已成为生长3C-SiC薄膜的标准方法，其关键在于在外延生长前通入含碳气体并快速升温，于硅表面形成SiC缓冲层，从而缓解晶格失配引起的应力与缺陷。该过程主要包括基片清洗、碳化处理与薄膜生长三个阶段。

持续供料物理气相沉积法（CF-PVT）由Chaussende等人于2003年首次提出。该方法结合了高温化学气相沉积（HTCVD）与PVT技术的优势，可实现原料的持续供给并生长厚单晶材料。其特殊设计的坩埚结构允许两种生长模式同步进行：以氩气稀释的四甲基硅烷（TMS）作为载气进入炉腔，经多孔石墨转化为原料；上方坩埚按传统PVT法生长，多余气体通过周围气路排出。该方法原料供给稳定，避免了传统PVT因原料消耗导致的热场波动，同时较高的气流速率也提升了SiC的生长速率。

升华外延法（又称“三明治法”）最早由TAIROV等人于1976年提出。该方法通过缩小籽晶与原料间距，并采用石墨垫片支撑，显著增强了生长腔内的温度梯度。2019年，德国FAU的Wellmann课题组研究指出，3C-SiC生长需要较高的过饱和度，并需降低气相中的碳含量。过饱和度可通过调节温度梯度实现，而碳含量则可通过原料下方的钽箔吸收剂进行调控。此外，钽箔还可作为感应加热的辅助热源，进一步增大温度梯度。

液相法生长单一3C-SiC的研究相对较少，多数仍集中于六方晶型SiC。2010年，Mercier等人以气相沉积（VLS）法制备的3C-SiC(111)作为籽晶，在1700 ℃下经21小时生长，获得了生长速率约23 μm/h的3C-SiC晶体。研究指出，稳定控制3C-SiC晶型需满足三个条件：（1）合适的对流控制；（2）温度低于1900 ℃；（3）控制籽晶取向与生长界面的熔液过饱和度。2023年，Wang等人在硅熔体中掺入10%~15%原子百分比的碳，并通入氮气调节表面张力，以4H型籽晶成功生长出直径2~4英寸、厚度4~10 mm的高质量3C-SiC晶锭。

总结与展望

本文概述了3C-SiC的晶体结构、基本物理特性、应用优势及主要生长技术，分析了气相与液相方法的热力学特性与生长机制，并展望了未来发展方向。通过提升微观表征能力、优化仿真软件与算法的准确性、借助人工智能辅助研发迭代等途径，有望加速实现大尺寸、低成本、高质量3C-SiC晶体的规模化制备，进一步推动其商业化应用进程。

文章来源：先进半导体材料

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