新型坩埚结构物理气相传输法制备低电阻率p型4H-SiC单晶的突破性研究

【编辑推荐】为解决p型4H-SiC衬底电阻率高、掺杂均匀性差的问题，研究人员通过创新坩埚结构设计，采用物理气相传输法（PVT）成功生长出高结晶质量、无杂相的低电阻率（55.35 mΩ·cm）Al掺杂p型4H-SiC单晶。结合第一性原理计算（CASTEP）和HRTEM/X射线形貌分析，揭示了Al掺杂浓度对晶格及能带结构的影响，为SiC基n-IGBTs器件开发奠定材料基础。

　　

在功率电子器件领域，4H-SiC因其宽禁带（3.2 eV）、高击穿电场（3 MV/cm）等特性成为新一代半导体材料的明星选手。然而，p型4H-SiC衬底的制备却像一道难以逾越的技术鸿沟——传统物理气相传输法（PVT）生长的p型衬底电阻率高达300 mΩ·cm，远逊于n型材料。这主要源于铝（Al）受主能级较深（190 meV），室温下电离率不足12%，严重制约了SiC基绝缘栅双极晶体管（n-IGBTs）的发展。更棘手的是，Al原子半径（1.43 ?）大于Si（1.11 ?），易引发晶格畸变，导致杂相和缺陷产生。

山东大学的研究团队独辟蹊径，设计出具有延伸杆结构的新型坩埚，通过精确调控Al源与SiC粉末的温度梯度，在PVT生长过程中实现Al蒸汽的稳定释放。借助高分辨率X射线衍射（HRXRD）和拉曼光谱分析，证实所得100 mm晶圆无杂相存在，X射线形貌术进一步揭示了位错分布特征。令人振奋的是，该技术将p型4H-SiC电阻率纪录刷新至55.35 mΩ·cm，较文献报道的Al单掺最优值降低81.6%。

关键技术方法
研究采用PVT法在1-30 mbar压力、2000-2200°C条件下生长晶体，通过基于涡流技术的非接触测量系统获取电阻率分布图。利用Materials Studio软件的CASTEP模块进行第一性原理计算，模拟不同Al掺杂浓度（10¹⁷-10²⁰ cm^-3）对4H-SiC晶格常数和能带结构的影响。HRTEM直接观测(-1100)晶面原子排列，X射线形貌术则用于位错表征。

研究结果

1. 新型坩埚结构设计
   延伸杆结构实现Al源与生长区的温度解耦，同步保障Al蒸汽供给稳定性。对比传统坩埚，新设计使电阻率分布均匀性提升40%。

2. 材料表征
   HRXRD摇摆曲线半高宽（FWHM）低至35 arcsec，证实晶体质量优异。拉曼光谱的横向光学声子模（TO）峰位偏移间接推算出空穴浓度达5.2×10¹⁸ cm^-3。

3. 微观机制解析
   第一性原理计算显示：当Al浓度超过5×10²⁰ cm^-3时，受主能带与价带重叠，实现近完全电离。HRTEM观察到Al掺杂引起的晶面间距膨胀（Δd=0.03 ?），但未破坏4H多型体稳定性。

结论与意义
该研究通过"设备创新-工艺优化-机理阐释"的全链条攻关，突破p型4H-SiC低阻化技术瓶颈。55.35 mΩ·cm的电阻率纪录使SiC基n-IGBTs的导通损耗有望降低60%，推动新能源汽车、光伏逆变器等高压应用场景的技术革新。新型坩埚设计理念更为其他难掺杂宽禁带半导体材料的制备提供普适性参考。