中國粉體網(wǎng)訊 碳化硅(SiC)具有寬帶隙,、高擊穿場強(qiáng),、高飽和電子漂移速率和高熱導(dǎo)率等優(yōu)異性能，在新能源汽車,、光伏和5G通訊等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用,。與目前應(yīng)用廣泛的4H-SiC相比，立方SiC(3C-SiC)具有更高的載流子遷移率(2-4倍),、低的界面缺陷態(tài)密度(低1個數(shù)量級)和高的電子親和勢(3.7 eV),。利用3C-SiC制備場效應(yīng)晶體管，可解決柵氧界面缺陷多導(dǎo)致的器件可靠性差等問題,。但3C-SiC基晶體管進(jìn)展緩慢,，主要是缺乏單晶襯底。前期大量研究表明,，3C-SiC在生長過程中很容易發(fā)生相變,，已有的生長方法不能獲得單一晶型的晶體。
根據(jù)經(jīng)典晶體生長理論,，對于光滑界面晶體,，同質(zhì)二維形核需要克服臨界勢壘，存在臨界Gibbs自由能或過飽和度,，而生長則可以在任意小的過飽和度下進(jìn)行,。對于異質(zhì)形核,，由于引入了新的固-固界面能,，二維形核需克服更高的臨界勢壘。因此在相同過飽和度下,，同質(zhì)形核和生長在能量上明顯優(yōu)于異質(zhì)形核和生長,，使得后者很難發(fā)生。
近期,，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的陳小龍團(tuán)隊提出了調(diào)控固-液界面能,，在異質(zhì)籽晶上較同質(zhì)籽晶優(yōu)先形核和生長的學(xué)術(shù)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體相Gibbs自由能的差別較小,；3)如果通過調(diào)控熔體成份,，使得3C(111)-熔體的界面能較4H(0001)-熔體的界面能足夠低，二維形核以及后續(xù)生長的Gibbs自由能則對于3C相更有利,。該團(tuán)隊自主設(shè)計,、搭建了超高溫熔體表面張力和固-液接觸角測試設(shè)備，在高溫下測量了不同成份熔體的表面張力,，熔體與4H-SiC,、3C-SiC的接觸角,，獲得了4H-SiC、3C-SiC與高溫熔體的固-液界面能的變化規(guī)律,，驗證了界面能調(diào)控的可行性,。該團(tuán)隊利用高溫液相法，實現(xiàn)了相同過飽和度條件下3C-SiC的Gibbs自由能更低的要求,，抑制了生長過程中的相變,，在國際上首次生長出了直徑2-4英寸、厚度4-10mm,、單一晶型的3C-SiC單晶,，如圖1和圖2所示。
圖1. 采用高溫液相法,，在六方碳化硅(4H-SiC)籽晶上實現(xiàn)了2-4英寸,、厚度4-10 mm、立方碳化硅(3C-SiC)的異質(zhì)形核和晶體穩(wěn)定生長
沿晶體厚度方向的Raman散射光譜測量結(jié)果表明,，生長一開始,，3C-SiC即在4H-SiC籽晶上形核、生長,，兩者共存區(qū)小于20 μm,，見圖2(a-b)，進(jìn)一步證實了上述理論,。(111)生長面的X射線搖擺曲線半高寬的平均值為30 arcsec,，表明生長的3C-SiC具有高的結(jié)晶質(zhì)量。3C-SiC單晶的室溫電阻率只有0.58 mΩ·cm,，為商業(yè)化4H-SiC晶片電阻率(15-28 mΩ·cm)的~1/40,，有望降低器件的能量損耗。
圖2. 3C-SiC晶型的確定,。a) 在(111)生長面上隨機(jī)選取20個點的Raman散射光譜圖,，插圖為測試點在晶體上的位置分布圖。b) 沿晶體厚度方向的Raman散射光譜圖,。c) 300 K測量的光致發(fā)光(PL)圖譜,。d) 高角環(huán)形暗場掃描透射電鏡(HAADF-STEM)圖。插圖為沿[110]晶帶軸的選區(qū)電子衍射(SAED)圖晶圓級3C-SiC單晶的生長填補(bǔ)了國內(nèi)外空白,，使3C-SiC晶體的量產(chǎn)成為可能,，也為開發(fā)性能優(yōu)異的電力電子器件提供了新的契機(jī)。同時,，異質(zhì)籽晶上較同質(zhì)籽晶優(yōu)先形核和生長的機(jī)制拓展了傳統(tǒng)的晶體生長理論,。
相關(guān)成果以“High Quality and Wafer-Scale Cubic Silicon Carbide Single Crystals為題在Energy Environment Materials (2023, 0, e12678)上發(fā)表。博士研究生王國賓和盛達(dá)為共同第一作者，李輝副研究員和陳小龍研究員為共同通訊作者,。王文軍主任工程師和郭建剛研究員深度參與了本工作,。相關(guān)成果已申請了國內(nèi)發(fā)明專利和國際PCT專利：陳小龍，李輝,，王國賓,，盛達(dá)，王文軍,，郭建剛,；用于制備3C-SiC單晶的方法；申請?zhí)枺?02310109001.9,，PCT/CN2023/090284,。以上工作得到了北京市科委、科技部,、中國科學(xué)院,、國家自然科學(xué)基金委、工信部等相關(guān)部門的大力支持,。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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