突破4英寸大尺寸制备！TSSG技术实现高质量3C-SiC单晶稳定生长
碳化硅（SiC）作为第三代半导体核心材料，凭借优异的耐高温、高压、高频特性，广泛应用于新能源、功率器件、航空航天等领域。相较于4H-SiC、6H-SiC等常见晶型，3C-SiC具备更高的电子迁移率、更低的缺陷密度与更优异的电学导通性能，是制备高性能低压功率器件、射频器件的理想材料。但长期以来，3C-SiC存在生长稳定性差、大尺寸单晶制备难度高、相竞争生长难以调控等问题，极大限制了其产业化应用。
针对这一行业痛点，本次研究采用顶部籽晶熔盐法（TSSG）开展3C-SiC单晶的可控生长研究，通过精准调控界面能与生长环境，成功突破大尺寸、高质量3C-SiC单晶制备难题，实现了4英寸级、超4.0 mm厚的块状3C-SiC单晶稳定制备，为3C-SiC材料的规模化应用提供了全新技术路径。
一、TSSG技术：3C-SiC择优生长的核心优势
目前SiC单晶主流制备工艺以物理气相传输法（PVT）为主，但该工艺仅存在SiC与气相的单一界面，界面能调控空间极小，难以实现3C-SiC对4H-SiC的择优生长，极易出现杂晶共生、晶型不稳定等问题。而本研究选用的TSSG工艺，具备两大核心技术优势，完美适配3C-SiC的稳定生长需求。
一方面，TSSG工艺可通过调整熔盐体系的化学组分，灵活调控SiC与熔盐之间的固液界面能。相较于气相界面，液相对界面能的调节作用更为显著，能够精准将3C-SiC的界面能降至低于4H-SiC的水平。在该条件下，3C-SiC的形核与生长会被优先激活，同时有效抑制4H-SiC杂晶的生成，从原理上解决了多晶型竞争生长的难题。
另一方面，TSSG工艺在中温区间（1700–1800 ℃）已成熟应用于大尺寸4H-SiC单晶制备，可稳定产出4英寸以上规格的单晶坯体，工艺稳定性与大尺寸适配性已得到验证。基于该成熟工艺体系，本研究进一步优化参数，最终成功实现直径2–4英寸、厚度4.0–10.0 mm的大尺寸3C-SiC单晶批量生长。
二、TSSG生长体系搭建与完整生长机制
本次研究搭建了一套高精度、可调控的TSSG生长体系，通过温度、气氛、熔盐组分的协同调控，构建稳定的3C-SiC生长环境，整套生长装置与反应机制清晰可控。
本次实验采用高纯度石墨坩埚作为生长容器与碳源，通过感应加热方式构建稳定的温度场。熔盐区域温度梯度控制在5–15 ℃/cm，熔盐顶部温度稳定维持在1850 ℃。实验选用Cr-Ce-Si多元熔盐体系，该体系在1680 ℃以上可完全熔融，兼具优异的碳溶解度与温度敏感性，能够随温度、组分变化精准调控碳源溶解速率。
整体生长过程分为三步闭环反应，全程维持动态平衡，保障晶体稳定生长：第一，高温区域的石墨坩埚底部被熔盐溶解，10–15%的碳原子持续融入熔盐体系；第二，温度梯度驱动热对流运动，将碳原子从高温区持续输送至低温区；第三，低温区的碳原子与硅原子结合，在籽晶表面结晶沉积，逐步生长为SiC单晶。
晶体稳定生长的核心关键，是保障碳源溶解、传输、结晶三步流程的动态平衡。实验选用商用半绝缘4H-SiC（0001）晶圆作为衬底籽晶，在Ar/N₂混合保护气氛下开展生长，为3C-SiC异质形核、相转变生长提供基础条件。
图1. 3C-SiC单晶的TSSG生长过程。
a) 通过TSSG法生长3C-SiC的装置示意图。
b) TSSG三种基本生长过程示意图：1）高温区石墨坩埚中碳的溶解；2）对流驱动碳从高温区向低温区输送；3）在低温基底晶体上形成SiC晶体。
c) 通过TSSG在4H-SiC基底上生长3C-SiC的拟议模型。
三、界面能调控机制：从理论层面解释3C-SiC择优生长
为明确3C-SiC优先形核、抑制4H杂晶的核心机理，研究通过吉布斯自由能公式，定量分析两种晶型的形核势垒差异，从热力学角度验证工艺的科学性。
在4H-SiC台阶台面的微斜（0001）表面，4H-SiC二维形核的吉布斯自由能变化（ΔGhomo）与3C-SiC异质形核的吉布斯自由能变化（ΔGhetero）存在明显差异。结合晶体结构特性可做出合理假设：一是4H-SiC与3C-SiC的侧面界面能近似相等，二者仅堆叠顺序不同，宏观界面相互作用波动趋于一致；二是4H-SiC（0001）晶面与3C-SiC（111）晶面晶格失配度极低，两晶型间界面能可近似为0。
基于上述假设可得出核心结论：当3C-SiC与熔盐的界面能显著低于4H-SiC与熔盐的界面能时，3C-SiC的异质形核自由能变化始终更小，形核势垒更低、生长驱动力更强。此时3C-SiC可在4H-SiC衬底表面优先形核，且台阶生长速率远超4H-SiC，最终完全覆盖衬底表面，实现稳定的单相生长。
研究进一步证实，当熔盐上方氮气分压（pN₂）超过15 kPa时，3C-SiC与4H-SiC的熔盐界面能差值达到临界阈值，可稳定实现3C-SiC的择优形核与连续生长，完美印证了热力学理论推导结果。
图1. 3C-SiC单晶的TSSG生长过程。
d–f）2英寸、3英寸3C-SiC球体经过圆角切割工艺后的照片，以及刚生长出的4英寸3C-SiC球体的照片。2–4英寸3C-SiC球体的厚度超过4.0 mm。
g）3C-SiC单晶晶圆的照片。
四、大尺寸3C-SiC单晶实物形貌与生长参数
依托优化后的TSSG工艺与界面调控策略，研究成功制备出不同规格的大尺寸3C-SiC单晶坯体，整体成型效果优异。
实验在20 kPa氮气分压条件下，成功制备出2英寸、3英寸、4英寸规格的3C-SiC单晶，经过84小时持续生长，单晶厚度稳定在4.0–10.0 mm区间。晶体生长速率可达50–113 μm/h，虽略低于传统PVT工艺的150 μm/h，但胜在生长稳定性高、晶型纯度优异，可有效规避PVT工艺杂晶频发的问题。
制备的1 mm厚3C-SiC晶圆因氮气掺杂产生高载流子浓度，常态下呈现黑色，强光照射下呈现典型的绿色特征，与3C-SiC本征光学特性高度匹配。
五、晶体结构表征：高纯度单相3C-SiC得到全方位验证
为验证晶体晶型纯度、结构完整性与均匀性，研究通过拉曼光谱、光致发光光谱、透射电镜、X射线衍射等多种表征手段，对制备的3C-SiC单晶进行全方位性能检测。
5.1 拉曼与光致发光光谱验证晶型
对晶圆表面20个不同点位开展拉曼光谱测试，所有测试点位光谱高度一致，仅出现3C-SiC特征的796 cm⁻¹横向光学模（TO），未出现4H-SiC、6H-SiC的特征峰，也无载流子相关的纵向光学模（975 cm⁻¹）干扰，仅检测到微量堆叠缺陷引发的741 cm⁻¹小峰，证明晶圆整体晶型纯度极高。
对晶体截面的分层测试结果显示，籽晶表层即刻完成4H相向3C相转变，仅存在约20 μm的两相过渡区，晶体主体区域均为纯3C-SiC单相结构。同时，样品在523 nm处出现特征光致发光峰，对应2.36 eV的本征带隙，进一步精准验证了3C-SiC晶型的唯一性。
图2. 对作为生长晶体的3C-SiC多型结构进行识别与确认。
a) 在2英寸晶体上20个点测量得到的3C-SiC拉曼光谱。图 inset inset 显示了所有测量点的分布情况。
b) 4H-SiC籽晶、TZ（过渡带）以及作为生长晶体的3C-SiC的拉曼光谱。
5.2 微观原子结构与元素分布表征
球面像差矫正透射电镜（HAADF-STEM）测试结果清晰显示，晶体内部Si、C原子严格按照ABC堆叠序列排列，符合3C-SiC标准晶体结构。选区电子衍射图谱与F-43m空间群完美匹配，无杂相衍射斑点，晶体结构规整度优异。
纳米尺度的电子能量损失谱（EELS）与能谱（EDS）mapping测试证实，晶体内部Si、C基体元素与掺杂N元素分布均匀，无元素偏聚、析出等缺陷，晶体整体成分一致性极佳，为稳定的电学性能提供了结构基础。
图2. 对作为生长晶体的3C-SiC多型进行识别与确认。
c) 在300 K下测得的3C-SiC的光致发光（PL）谱。
d) 3C-SiC的平面高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，显示Si和C原子重叠。图 inset 为沿½ x0005 110 Z.A.（晶区轴）方向测量的SAED图像。
5.3 结晶质量与缺陷特性分析
X射线衍射θ-2θ扫描结果表明，晶体生长表面仅存在（111）与（222）特征衍射峰，证实3C-SiC单晶沿（111）晶面定向生长。X射线摇摆曲线（XRC）测试显示，晶圆全域半高宽（FWHM）为28.8–32.4 arcsec，平均值低至30.0 arcsec，且全域数值均匀性极佳，是目前2英寸以上大尺寸3C-SiC晶圆的最优结晶质量水平。
图3. 3C-SiC晶圆的结晶度和缺陷特征分析。
a) 3C-SiC晶圆的X射线衍射（XRD）谱，显示生长表面为(111)晶面。
b) (111)晶面的X射线回旋曲线（XRC），全宽半高（FWHM）范围为28.8至32.4弧秒。图 inset inset 显示了9个测量点的分布情况。
对KOH熔融腐蚀后的晶圆表面进行缺陷表征，仅检测到少量堆叠层错、螺型位错与刃型位错。其中堆叠层错密度低至92.2 cm⁻¹，远低于现有文献报道水平，且未出现3C-SiC单晶最常见的双定位边界缺陷，缺陷控制能力实现显著突破。微观形貌显示，堆叠层错仅由三层（111）晶面堆叠构成，结构缺陷尺度极小，对晶体性能影响极低。
图3. 3C-SiC晶圆的结晶度和缺陷特征。
c–f) 在500°C下于KOH熔液中蚀刻10分钟后，3C-SiC晶圆的光学显微镜（OM）图像，显示了3C-SiC晶圆中存在堆叠位错（SF）、穿插螺纹位错（TSDs）和穿插边缘位错（TEDs）等缺陷。
g, h) 由三层SiC组成的堆叠位错（SF）的高分辨原子力显微镜-扫描透射电镜（HAADF-STEM）图像。
六、优异电学性能：低阻、高激活率适配器件应用
研究采用六线法对3C-SiC单晶的电学性能进行系统测试，重点分析电阻率、载流子浓度与迁移率特性。测试结果显示，20 kPa氮气分压条件下制备的样品呈现典型的金属导电特性，室温电阻率仅0.58 mΩ·cm，远低于4H-SiC的15–28 mΩ·cm，具备极低的导通损耗。
该样品载流子浓度达1.89×10²⁰ cm⁻³，与二次离子质谱测试的氮掺杂浓度高度吻合，证明室温下掺杂氮原子几乎全部激活进入导带，掺杂利用率极高。通过调控氮气分压降低载流子浓度后，晶体迁移率可提升至66.24 cm²/(V·s)，同时电阻率仍远优于传统3C-SiC材料，兼顾了高导电与高迁移特性。
此外，低氮气分压（10 kPa）制备的样品在低温下呈现半导体特性，可通过气氛调控实现3C-SiC导电特性的可控切换，适配不同场景的器件应用需求。
七、总结与展望
本次研究创新性地利用TSSG熔盐界面能可控调控的优势，攻克了3C-SiC与4H-SiC多晶型竞争生长的核心难题，成功实现2–4英寸大尺寸、高纯度、低缺陷3C-SiC单晶的稳定制备。该工艺制备的3C-SiC单晶结晶质量优异、缺陷密度极低，同时具备超低电阻率与高掺杂激活率，综合性能远超传统工艺产品。
相较于传统PVT工艺，TSSG技术在3C-SiC大尺寸制备、晶型精准调控、缺陷抑制等方面展现出显著优势，为3C-SiC单晶的产业化、规模化制备提供了成熟可行的技术方案。未来通过工艺参数的进一步优化，有望进一步提升晶体生长速率、降低缺陷密度，推动3C-SiC在高端功率半导体、射频器件等领域的规模化落地应用。晶沐光电可全面供应3C-SiC、4H-SiC等各类晶型碳化硅衬底，尺寸齐全、品质稳定，能够充分适配不同场景的半导体器件研发与量产需求，为碳化硅产业上下游应用落地提供坚实的产品支撑。
