在半导体材料的广阔天地中，碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料的佼佼者，正凭借其独特优势，在高温、高频、高功率及高压器件领域崭露头角。然而，在SiC晶体生长的征程里，利用物理气相传输（PVT）法生长4H-SiC晶体时，多型夹杂缺陷这只“拦路虎”，严重阻碍了高质量晶体的制备，也成为科研人员亟待攻克的关键难题。
一、PVT法生长4H-SiC晶体：挑战重重
（一）研究背景与难点
SiC具备宽的带隙、高的热导率、高的击穿电场和大的电子迁移速率，堪称制作先进器件的理想材料。可当采用PVT法生长4H-SiC单晶衬底时，麻烦接踵而至。由于不同晶型体结构间结晶学相容性良好，形成自由能又极为接近，多型夹杂缺陷频繁出现。这些缺陷就像隐藏在晶体内部的“定时炸弹”，不仅降低晶体结晶质量，还可能诱发微管、位错等其他缺陷，让器件性能大打折扣。在实际晶体生长过程中，实现对这些缺陷的有效调控，成了制备高品质大尺寸SiC单晶衬底的关键挑战。
（二）生长过程剖析
PVT法生长4H-SiC晶体，如同一场精密的化学反应交响乐，主要分为三个步骤。首先是原料的分解与升华，在高温环境下，SiC原料逐渐分解，以气态形式存在；接着是气相组分的传输，这些气态组分在特定的温度、压力和气氛环境中，有序地向籽晶方向传输；最后在籽晶表面沉积与结晶，一点点构筑起4H-SiC晶体的微观结构。但整个过程对温度、压力、气氛等参数要求极高，稍有偏差，就可能导致晶体质量下降。
二、多型夹杂缺陷：深入解析
（一）晶体结构与缺陷产生根源
碳化硅晶体结构由硅和碳原子组成的Si—C正四面体搭建而成，不同晶型的差异，就在于硅碳双原子层沿[0001]方向的堆垛次序不同。常见的3C、2H、4H、6H和15R等晶型，各有其独特的原子排列方式。而多型夹杂缺陷的产生，根源在于碳化硅晶体堆垛层错能较小，不同晶型之间“界限模糊”，再加上生长参数的细微波动，就容易引发晶型转变，出现多型共生的现象。
（二）缺陷抑制策略
生长台阶：在PVT法生长的SiC晶体表面，生长台阶宛如一道道“隐形的防线”，有助于维持单一晶型的成核与发育。台阶之间的平面宽度，更是影响晶型稳定生长的关键因素。合适的平面宽度，能让晶体生长沿着既定的晶型方向稳步推进，减少多型夹杂的风险。
掺杂：氮(N)掺杂和铈(Ce)掺杂，就像给4H-SiC晶型注入了“稳定剂”。研究证实，它们能明显扩大各晶型之间堆垛能差异，让4H-SiC晶型在生长过程中更具优势，稳定生长。
温度与温度梯度：大的轴向温度梯度，是4H-SiC晶型稳定生长的“助推器”。它能加速坩埚底部粉料的分解及升华过程，为晶体生长提供充足的原料，还能引导晶体沿着正确的晶型方向生长。一旦温度梯度过小，不仅粉料分解升华受阻，还会导致各种缺陷丛生。
气相组分Si/C比：在PVT法生长SiC晶体时，因碳化硅高温非一致升华，气相呈富硅态，不同区域Si/C比有差异，靠近生长界面处较低，靠近料面处较高 ，气相Si与石墨坩埚内壁反应以及Si₂C与石墨内壁反应会改变Si/C比，利于4H晶型稳定生长。通过选用特殊原料、预处理粉料、调整温度相关参数、引入掺杂和多孔石墨板等方法提高气相C含量，能抑制多型夹杂，提升晶体结晶质量，像碳包覆碳化硅颗粒粉料和多孔石墨板的应用都取得了显著成效。
籽晶极性：六方晶系的碳化硅晶体沿（0001）晶面切割的晶圆存在C面和Si面，C面自由表面能低，Si面自由表面能高。实验表明，C面利于生长形成焓较高的4H晶型，Si面利于生长形成焓较低的6H晶型，即便籽晶晶型不同也遵循此规律 ，半拼接籽晶实验也证实C面优势，不过会出现含多种晶型的转化过渡层。
三、晶型结构鉴别：各显神通
（一）直接观察法：简单却有局限
利用掺杂型碳化硅晶体在可见光范围内的载流子吸收现象，通过观察颜色变化来鉴别晶型，这种方法简单易行，就像通过外观判断果实是否成熟。但它也有明显的短板，不适用于半绝缘型和p型衬底，就像一把钥匙打不开所有的锁。
（二）X射线衍射法：信息丰富但有干扰
X射线衍射技术能获得与晶体结构有关的丰富信息，可特征衍射峰位置有时会重叠，就像嘈杂环境中的声音互相干扰，让人难以准确鉴别多型夹杂。
（三）高分辨率透射电子显微镜法：精准却成本高昂
借助高分辨率透射电子显微技术，能直观且准确地看到晶体内部微观结构，鉴别晶型结构。但设备成本高昂，制样要求也高，就像一场奢华的科学盛宴，不是所有实验室都能轻易举办。
（四）吸收光谱法：简便却有偏差
通过表征碳化硅材料的本征跃迁行为来鉴别晶型结构，制样要求低，对测试设备也无严格要求，操作简单方便。但存在数值偏差问题，就像估算的结果总有一些误差。
（五）拉曼光谱法：无损且高效
拉曼光谱是一种无损伤的检测方法，能较为简便地分析样品的晶体结构和长晶质量。显微激光拉曼光谱法更是具有很高的空间分辨率，可对微小区域的多型夹杂进行精准鉴别，如同给晶体做了一场细致入微的“体检”。
四、未来展望：曙光在前
随着对碳化硅晶体生长技术的不断探索与完善，生长参数的持续优化，多型夹杂缺陷有望被有效抑制甚至消除，获得单一晶型的4H-SiC衬底不再是遥不可及的梦想。而电阻法碳化硅晶体生长装置及工艺，作为一颗冉冉升起的“新星”，具有巨大的发展潜力。它不仅有助于解决晶体开裂、边缘多晶以及表面多型等棘手问题，还将为8英寸碳化硅晶体产业化按下“加速键”，推动碳化硅晶体在更多领域大放异彩，为半导体产业的发展注入新的活力。
