基于SiC单晶制备的功率器件具有耐高温、低损耗、耐高压等优良性能，能够满足电力电子系统的轻量化、高效率和小型化的需求，在新能源汽车、轨道交通、5G基站、智能电网等领域正在掀起一场替代传统硅基功率器件的革命。溶液法生长SiC单晶具有晶体结晶质量高、易实现晶体扩径、易实现低温生长、易实现稳定的P型掺杂等独特的优势，有望在将来成为大规模量产SiC单晶的主要方法。然而，由于Si-C二元溶液中C在硅熔体中的溶解度极低，导致采用Si-C二元溶液无法实现SiC单晶的快速生长。因此，如何提高Si-C溶液中的C的溶解度是实现SiC单晶快速生长需要解决的首要问题。另外，3C-SiC的载流子迁移率、热传导性能、机械性能都优于目前商用的4H-SiC，有助于制造可靠和长寿命的器件，但3C-SiC不稳定，在高于2173 K的高温下会转变成六方多晶。因此，要想实现3C-SiC单晶的稳定生长，需开发新型助溶剂，在温度低于2173K时提高硅基溶液中的C溶解度，以提高溶液法生长3C-SiC单晶的生长速度。
近日，昆明理工大学雷云、马文会等与北京青禾晶元半导体科技有限责任公司母凤文等合作，在晶体学著名期刊Crystal Growth & Design上发表2篇题为“Rapid growth of high-purity 3C-SiC crystals using a SiC saturated Si–Pr–C solution”和“Promising Approach for Rapid Growth of High-Quality SiC Crystals Using Si−Nd−C Solutions”的研究论文。论文分别报道了采用Pr和Nd作为助溶剂成功地在低温下（1823~1923K，注：与PVT法的生长温度>2473 K相比是低温）在SiC饱和的硅熔体中获得超高的C溶解度，并且添加的助溶剂在3C-SiC晶体中的残留量可低于GD-MS的检测极限（<0.05 ppmw），有望解决助溶剂对SiC晶体污染的问题。当助溶剂和石墨坩埚的纯度均低于99.9%时，获得的3C-SiC的纯度高于99.995%。
另外，如果要实现在低温下的硅基溶液中生长3C-SiC单晶，除了要提高硅基溶液中C的溶解度和降低助溶剂对SiC晶体的污染外，SiC物相必须是硅基溶液中唯一稳定存在的固相。当采用Pr含量为25mol%~35mol%的Si-Pr合金和采用Nd含量为25mol%~42mol%的Si-Nd合金时，在1823-1923K下可获得SiC稳定存在（SiC饱和）的Si-Pr-C和Si-Nd-C溶液。且在1923K，SiC饱和的Si-Pr-C和Si-Nd-C溶液中C的溶解度最高分别可达到2.7 mass%（13.5 mol%）和5.16 mass%（25.83 mol%）。研究结果为溶液法低温快速生长高质量的3C-SiC单晶提供了理论基础和新的契机。研究工作得到国家自然科学基金项目的资助。
图1. （a）温度为1823-1923K时，当Si-Pr合金中的Pr含量高于25at.%，C在Si-Pr熔体中的溶解度急剧增加；（b）在相同温度下，C在Si-Pr熔体中的溶解度高于目前已报道的Si-40at.%Cr、Si-23at.%和Si-60at.%Fe熔体。
图2. （a）温度为1823-1923K时，当Si-Nd合金中的Nd含量高于25at.%，C在Si-Nd熔体中的溶解度急剧增加；（b）在相同温度下，C在Si-Nd熔体中的溶解度高于目前已报道的Si-40at.%Cr、Si-23at.%和Si-60at.%Fe熔体。
图3. 当温度为1923K，温度梯度为33 K/cm，Si-Nd、Si-Pr、Si-Ti、Si-Cr、Si-Fe合金中的助溶剂均为35mol%时，Si-Nd-C和Si-Pr-C溶液中的SiC晶体析晶能力远远大于Si-Cr-C、Si-Ti-C和Si-Fe-C溶液中SiC晶体的析晶能力（对比结果分别见左边4幅图和右边4幅图）。
图4. 采用酸洗的方法去除SiC晶体之间的溶剂夹杂相后（图a-d），用GD-MS检测得到SiC的纯度>99.995%，Pr的含量低于GD-MS的检测极限（<0.05 ppmw）；获得的SiC晶体为单一的3C-SiC（图e）。
通讯单位：昆明理工大学；
合作单位：北京青禾晶元半导体科技有限责任公司
第一作者：邓幻、李鹏；
通讯作者：雷云
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.cgd.3c01183；https://doi.org/10.1021/acs.cgd.3c00409。
（来源：宽禁带半导体技术创新联盟）