晶圆级立方 单晶生长取得突破

(SiC)具有宽带隙、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高热导率等优异性能，在新能源汽车、光伏和5G通讯等领域具有重要的应用。与目前应用广泛的4H-SiC相比，立方SiC(3C-SiC)具有更高的载流子迁移率(2-4倍)、低的界面缺陷态密度(低1个数量级)和高的电子亲和势(3.7 eV)。利用3C-SiC制备场效应晶体管，可解决栅氧界面缺陷多导致的器件可靠性差等问题。但3C-SiC基晶体管进展缓慢，主要是缺乏单晶衬底。前期大量研究表明，3C-SiC在生长过程中很容易发生相变，已有的生长方法不能获得单一晶型的晶体。

根据经典晶体生长理论，对于光滑界面晶体，同质二维形核需要克服临界势垒，存在临界Gibbs自由能或过饱和度，而生长则可以在任意小的过饱和度下进行。对于异质形核，由于引入了新的固-固界面能，二维形核需克服更高的临界势垒。因此在相同过饱和度下，同质形核和生长在能量上明显优于异质形核和生长，使得后者很难发生。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的陈小龙团队提出了调控固-液界面能，在异质籽晶上较同质籽晶优先形核和生长的学术思想。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体相Gibbs自由能的差别较小；3)如果通过调控熔体成份，使得3C(111)-熔体的界面能较4H(0001)-熔体的界面能足够低，二维形核以及后续生长的Gibbs自由能则对于3C相更有利。该团队自主设计、搭建了超高温熔体表面张力和固-液接触角测试设备，在高温下测量了不同成份熔体的表面张力，熔体与4H-SiC、3C-SiC的接触角，获得了4H-SiC、3C-SiC与高温熔体的固-液界面能的变化规律，验证了界面能调控的可行性。该团队利用高温液相法，实现了相同过饱和度条件下3C-SiC的Gibbs自由能更低的要求，抑制了生长过程中的相变，在国际上首次生长出了直径2-4英寸、厚度4-10mm、单一晶型的3C-SiC单晶，如图1和图2所示。

图1. 采用高温液相法，在六方 (4H-SiC)籽晶上实现了2-4英寸、厚度4-10 mm、立方 (3C-SiC)的异质形核和晶体稳定生长