在半导体材料的赛道上，碳化硅（SiC）作为第三代宽禁带半导体材料的“明星选手”，正凭借自身卓越的性能，掀起一场席卷多个领域的技术变革。而8英寸导电型4H-SiC单晶的制备技术突破，更是为这股变革浪潮注入了强大动力。
一、时代需求催生技术攻坚
随着电动汽车、轨道交通、高压输变电等领域的迅猛发展，对高功率、高频、高温和抗辐射新型功率半导体器件的渴望愈发强烈。想象一下，电动汽车需要更高效的功率器件来提升续航里程，轨道交通依赖强大的半导体器件保障稳定运行，高压输变电领域则期望能承受高电压、低损耗的器件来优化输电效率。在这样的背景下，碳化硅（SiC）脱颖而出。
SiC具备高击穿场强，意味着它能承受更高的电压而不被击穿；高饱和电子漂移速率，让电子移动更快，提升器件运行速度；高热导率，能迅速散发工作产生的热量，保障器件稳定；高化学稳定性，使其在复杂环境中也能可靠工作。这些特性让SiC成为制造新型功率半导体器件的理想材料。然而，制造SiC功率半导体器件的基础——大尺寸高质量SiC单晶衬底的制备，却困难重重，成为了全球科研人员竞相攻克的难题。
二、披荆斩棘，突破技术难点
（一）8英寸4H-SiC晶体制备的重重挑战
制备8英寸4H-SiC晶体，每一步都充满荆棘。首先是高质量8英寸4H-SiC籽晶的制备，籽晶就如同晶体生长的“种子”，其质量直接影响后续晶体的生长。大尺寸带来的温度场不均匀问题，就像在晶体生长的“土壤”里制造了温度差异，让晶体生长变得不稳定；成核过程控制也极为关键，稍有不慎，就可能导致晶体生长出现缺陷。
在大尺寸晶体生长体系下，气相物质组分输运效率和演变规律难以捉摸。气相物质就像晶体生长的“养分”，如何让它们高效地输送到晶体生长部位，并且按照预期的规律变化，是需要解决的关键问题。此外，大尺寸带来的热应力增大，如同给晶体施加了额外的“压力”，极易导致晶体开裂和缺陷增殖，让之前的努力付诸东流。
（二）全球科研力量的角逐与突破
近年来，全球碳化硅领域以6英寸衬底为主流，但随着电动汽车渗透率的不断增高，对SiC器件的需求呈爆发式增长，这也促使业界将目光聚焦在8英寸SiC衬底上。国际巨头Cree公司在2015年率先展示了8英寸SiC样品，又在2019年完成了首批8英寸SiC衬底样品的制备，在这场技术竞赛中抢占了先机。而国内的科研团队也不甘落后，积极投身到8英寸SiC单晶生长技术的研究中。山东大学在2021年和2022年分别报道了8英寸4H-SiC样品的研制进展，展现出我国在该领域的科研实力和决心。
三、8英寸导电型4H-SiC单晶的生长之路
（一）物理气相传输法扩径，开启晶体生长新征程
科研人员采用物理气相传输法（PVT）对6英寸4H-SiC籽晶进行扩径，这是一场在极端环境下的精细操作。扩径过程中，温度需严格控制在2100至2300℃，这个温度区间犹如晶体生长的“黄金温度带”，既能让原子活跃起来，又能保证晶体生长的稳定性；生长压力则要小于30mbar，为晶体生长营造一个低压环境。
在这个过程中，科研人员通过多次迭代，不断优化工艺参数，就像精心培育一颗幼苗，逐步扩大晶体尺寸。经过无数次的尝试与调整，最终成功获得了8英寸直径的4H-SiC单晶。这不仅是晶体尺寸的突破，更是对工艺控制精度的一次巨大考验。
（二）衬底加工，赋予晶体实用价值
得到8英寸导电型4H-SiC单晶后，还需要通过标准的半导体加工工艺，将其加工成厚度为520微米的衬底。这一步就像是将一块璞玉雕琢成精美的艺术品。加工后的衬底颜色均一，通过拉曼光谱测试表明4H-SiC晶型面积比例为100%，这意味着衬底的晶型纯度极高，为后续的应用奠定了坚实的基础。
在晶体生长过程中，科研人员还巧妙地通入氮气，进行8英寸导电型SiC晶体生长。同时，不断优化温场和流场设计，就像精心调整舞台灯光和气流，让晶体生长的环境更加完美，从而有效控制掺杂均匀性。经过滚圆、磨平面整形等一系列精细操作后，获得了标准直径的8英寸导电型4H-SiC晶锭。再经过切割、研磨、抛光等工序，最终加工出520微米厚度的8英寸导电型4H-SiC衬底。
四、性能卓越，品质经得起考验
（一）微管密度测试，检测晶体生长的“瑕疵”
科研人员使用全自动显微镜对8英寸导电型4H-SiC衬底进行面扫描，就像用放大镜仔细检查衬底的每一个角落，测试微管密度及分布。结果发现，微管主要分布在6英寸以外的扩径区域，不过微管密度小于0.3 cm^-2，这一数值达到了衬底使用要求，意味着衬底在这方面的质量表现出色。
（二）电阻率测试，衡量导电性能的关键
采用非接触式涡流法电阻率测试仪对8英寸导电型4H-SiC衬底的电阻率进行面扫描，这是检测衬底导电性能的重要手段。测试结果显示，电阻率范围为20至23 mΩ·cm，平均值为22 mΩ·cm，电阻率不均匀性小于4%。这表明衬底的导电性能稳定且均匀，能满足各类电子器件对导电性能的严格要求。
（三）结晶质量表征，评估晶体的内在品质
利用高分辨X射线衍射仪对衬底的结晶质量进行表征，沿<1120>直径方向测试5点，就像从不同角度观察衬底的内部结构。结果令人欣喜，衬底中没有小角度晶界缺陷，5点摇摆曲线半峰全宽平均值为32.7″，这充分证明衬底具有良好的结晶质量，为其在高端电子器件中的应用提供了有力保障。
五、技术突破，展望未来发展
（一）8英寸4H-SiC衬底的成功制备，意义非凡
通过不懈努力，科研人员成功使用PVT法制备了8英寸导电型4H-SiC单晶，并加工成厚度为520微米的衬底。该衬底微管密度小于0.3 cm^-2，4H-SiC晶型比例为100%，电阻率平均值为22 mΩ·cm，不均匀性小于4%，衬底(004)面高分辨XRD的5点摇摆曲线半峰全宽平均值为32.7″。这些优异的数据表明，衬底具有较高的结晶质量，为大尺寸SiC功率半导体器件的制造提供了坚实的基础。
（二）持续研究，追求更高品质
尽管在8英寸导电型4H-SiC单晶衬底的制备上取得了显著成果，但科研人员并未满足于此。目前，衬底中位错密度的分布及控制仍需进一步研究。未来的工作将集中在进一步提高晶体质量，减少位错密度，就像不断打磨一件艺术品，让它更加完美，以满足更高级别半导体器件的制造需求。
