感应加热频率调制在4H-SiC生长中的应用：热场演化、位错抑制及高质量晶体制备研究

为解决感应加热法生长大尺寸SiC单晶过程中热场均匀性差、位错密度高等问题，研究人员通过数值模拟与实验相结合，系统研究了不同加热频率(1-30 kHz)对PVT法生长4H-SiC晶体热场分布、粉末演化及缺陷形成的影响。发现频率变化会通过趋肤效应改变加热区域，使径向/轴向温差呈现三相变化规律，最终在4 kHz条件下成功制备出8英寸低缺陷晶体，为半导体材料制备工艺优化提供重要指导。

　　

在第三代半导体材料的竞技场上，碳化硅(SiC)凭借其3.2电子伏特的宽禁带宽度、高达3 MV/cm的临界击穿场强等"超能力"，成为高温高压功率器件领域的明星材料。然而这颗"半导体皇冠上的明珠"在制备过程中却面临巨大挑战——传统物理气相传输(PVT)法生长大尺寸SiC单晶时，热场不均匀导致的晶体缺陷问题始终困扰着产业界。特别是当晶圆尺寸向8英寸迈进时，热管理难题更成为制约材料性能提升的"阿喀琉斯之踵"。

山东大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中，创新性地将目光聚焦于感应加热频率这一关键参数。通过STR Group公司的VR-PVT软件进行多物理场耦合模拟，结合实际晶体生长实验，系统揭示了1-30 kHz频率范围内热场演化的动态规律。研究发现，趋肤效应(Skin Effect)会驱使加热区域随频率升高而外移，形成"外热内冷"的特殊温度梯度。更令人惊讶的是，径向温差(RTD)与轴向温差(ATD)竟呈现镜像对称的三相变化：前者经历"下降-上升-再下降"的波动，后者则演绎"上升-下降-反弹"的相反轨迹。这种非单调变化规律如同精心编排的温度"交响乐"，直接决定了晶体内部的应力分布和位错密度。

关键技术方面，研究采用虚拟反应器(VR-PVT)模拟平台构建三维热-流-质耦合模型，通过电磁场-热场多物理场分析揭示频率效应；实验环节使用SGL R6650石墨坩埚，在精确控温条件下进行对比生长实验；采用X射线衍射等技术表征晶体质量。

【虚拟反应器生长过程模拟】
通过建立包含感应线圈、石墨隔热层和坩埚的完整模型，模拟显示频率变化会显著改变热流密度分布。当频率升至30 kHz时，87%的热量集中在距坩埚外壁5 mm范围内，形成典型的趋肤效应特征。

【加热频率对温度场的影响】
1 kHz低频时热区集中在坩埚中下部，而高频条件下热区上移并向外扩展。特别值得注意的是，4 kHz时出现最优热场分布，此时径向温差较1 kHz降低23%，轴向温差维持在最佳生长所需的15-20 K/cm区间。

【结论】
该研究不仅建立了频率-热场-晶体质量的定量关系模型，更在实践中验证了4 kHz的"黄金频率"——在此条件下制备的8英寸4H-SiC单晶，其位错密度降低至常规工艺的1/3，多型夹杂完全消除。这项成果为半导体产业突破大尺寸晶体生长瓶颈提供了理论基石，其揭示的三相变化规律更对其它感应加热材料制备工艺具有普适指导价值。正如研究者所言："掌握频率这把钥匙，就打开了高质量SiC晶体规模化生产的大门。"