清华大学·物理气相传输法生长大直径碳化硅单晶多型夹杂缺陷控制研究

碳化硅（SiC）是第三代半导体的关键材料，其中4H-SiC在功率器件中占据主导地位。然而，在物理气相传输（PVT）法生长大直径4H-SiC单晶时，晶体中极易形成6H-SiC等多型夹杂缺陷。这类缺陷会破坏晶体完整性，严重影响材料的电学与热学性能，因此控制多型夹杂是生长SiC晶体的主要挑战之一。目前，多型夹杂的形成机制与控制准则尚不明确，这在一定程度上制约了高品质大尺寸SiC晶体的产业化进程。

《人工晶体学报》2025年第12期发表了来自清华大学郑丽丽教授课题组的《物理气相传输法生长大直径碳化硅单晶多型夹杂缺陷控制研究》（第一作者：卢嘉铮；通信作者：郑丽丽）。该研究针对PVT法生长8英寸N型4H-SiC晶体，通过实验与数值模拟结合的手段，首次明确了6H-SiC多型夹杂形成的临界条件，并建立了用于指导工艺优化的“过程图”，为大尺寸SiC单晶的缺陷控制提供了定量化的理论依据。

论文题录●●

卢嘉铮, 胡润光, 郑丽丽, 张辉, 胡动力. 物理气相传输法生长大直径碳化硅单晶多型夹杂缺陷控制研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(12): 2072-2082.

LU Jiazheng, HU Runguang, ZHENG Lili, ZHANG Hui, HU Dongli. Defect Control of Polytype Inclusion in Large-Diameter SiC Single Crystal Grown by PVT Method[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(12): 2072-2082.

//文章导读

研究团队首先通过实验观察了不同总加热功率下6H-SiC多型夹杂的出现情况。实验发现，当功率提升至基准功率的102.8%时，晶体边缘开始出现6H-SiC夹杂；功率增至106.8%时，夹杂缺陷大面积贯穿晶体（见图1）。这表明加热功率是诱发多型转变的关键因素。

图1　实验获得的晶体表面形貌及其6H-SiC多型夹杂情况：(a)P0，无6H-SiC多型；(b)101.4%P0，无6H-SiC多型；(c)102.8%P0，红框处的浅表层存在6H-SiC多型；(d)106.8%P0，红框处存在大面积贯穿6H-SiC多型

为了揭示背后的物理机制，研究建立了耦合电磁场、热场、流场及气相输运的全过程瞬态数值模型。模拟成功复现了不同功率下的晶体生长界面形状及内部热场、流场演化（见图2）。通过追踪晶体生长界面边缘的温度和碳过饱和比这两个关键变量的演变（见图3），研究发现，多型夹杂的出现与这两个参量的协同升高直接相关。

图2　数值模拟得到的坩埚内部温度（左图）和气流速度（右图）在初、末时刻的分布情况，以及晶体生长界面形状。(a)P0/0 h；(b)101. 4%P0/0 h；(c)102. 8%P0/0 h；(d)106. 8%P0/0 h；(e)P0/60 h；(f)101. 4%P0/110 h；(g)102.8%P0/110 h；(h)106. 8%P0/110 h

图3　晶体生长界面边缘温度T(a)及碳过饱和比值Seff(b)随时间的变化

基于模拟与实验结果的精确对应，研究团队在温度-碳过饱和比坐标系中，绘制了直观的“过程图”（Process Map），如图4所示。图中明确区分了生长纯净4H-SiC（黑点）和出现6H-SiC夹杂（红点）的工艺区域。

图4　温度-碳过饱和比值（T-Seff ）过程图。黑点无6H-SiC多型夹杂，红点有6H-SiC多型夹杂。红色虚线是4H-SiC向 6H-SiC转变的边界，等值线是6H-SiC与4H-SiC二维成核能的差值（单位：eV）

通过分析临界数据点，首次拟合出了适用于该生长条件（C面4°偏轴、氮掺杂）的4H向6H多型转变的临界判据：

式中：

为临界碳过饱和比，

T为晶体生长界面边缘温度。当实际碳过饱和比高于此临界值时，极易发生多型转变。该判据与系统结构无关，具有普适性。

由于碳过饱和比在实际工艺中难以在线监测，而生长速率更易估算，研究进一步将判据转换为更实用的温度-生长速率过程图（见图5）。该图清晰地划定了“安全生长区”，为工程实践提供了直接指导。

图5　温度-晶体生长速率（T-Gcryst）过程图。黑点无6H-SiC多型夹杂，红点有6H-SiC多型夹杂。红色虚线是4H-SiC向6H-SiC转变的边界，等值线是6H-SiC与4H-SiC二维成核能的差值（单位：eV）

在明确临界条件的基础上，研究针对广泛应用于生产的多温区电阻加热式PVT系统（见图6），系统研究了两个关键工艺参数的影响：

上下加热器功率比（κ）：研究发现，κ值过小（<0.46）易诱发多型夹杂且可能引发其他缺陷。将κ值维持在0.46左右，可以在抑制多型夹杂的同时获得较高的晶体生长速率，是较优的工艺窗口（见图7）。

图6　典型多温区电阻加热式PVT系统结构

图7　上/下加热器功率比与6H-SiC多型夹杂缺陷关系。(a)温度-碳过饱和比值；(b)温度-晶体生长速率过程图

氩气环境压力（PAr）：提高氩气压力可以抑制气相输运，降低碳过饱和比，从而有助于抑制多型夹杂。但压力调节对生长速率的控制范围有限，更适于作为工艺微调手段（见图8）。

图8　氩气环境压力与6H-SiC多型夹杂缺陷关系。(a)温度-碳过饱和比值；(b)温度-晶体生长速率过程图

结　论

本研究通过实验与模拟深度结合，定量揭示了PVT法生长4H-SiC晶体中6H多型夹杂的形成机制，核心是晶体生长界面边缘温度与碳过饱和比的协同超标。研究提出的温度-碳过饱和比/生长速率过程图及临界判据，为理解和控制多型夹杂提供了核心理论工具。对于典型的电阻加热式PVT系统，适当提高上下加热器功率比（如κ≈0.46）和提高氩气环境压力是抑制6H-SiC多型夹杂的有效工艺路径。这项工作推动了多型夹杂控制从经验摸索向模型指导的转变，对高品质大尺寸SiC衬底的产业化制备具有重要指导意义。

文章来源：人工晶体学报

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