日前，天岳先进公布2023年年度报告。在研发创新方面，2023 年，天岳先进围绕前瞻性技术、大尺寸产品和关键核心等方面持续投入，研发费用达 13,721.06 万元。

其中提到在研项目“高质量低成本碳化硅液相法制备关键技术”，预计总投资规模1000万元，目前该项目处于研发阶段。

据悉，该项目旨在利用溶液法生长 SiC 单晶过程中的缺陷转变机理，降低 SiC 晶体的中的缺陷密度，为 PVT 法提供高质量的籽晶，达到降低 PVT 法生长 SiC 中缺陷密度的目的，从而开发出具有自主知识产权的高品质 SiC 单晶生长技术，实现 6 英寸及 8 英寸高品质 SiC 单晶衬底的量产。

■ 图源：天岳先进2023年年度报告

值得一提的是，2023年6月消息，天岳先进采用液相法制备出了低缺陷的8英寸晶体，通过热场、溶液设计和工艺创新突破了碳化硅单晶高质量生长界面控制和缺陷控制难题，尚属业内首创。

■图源：高超博士介绍8英寸液相法进展

据透露，天岳先进布局液相法多年，目前在该领域从扩径（8英寸）和掺杂技术（P型）等方面均取得了领先行业的进展。

01.

液相法，旨在SiC的“扩径+降本”

液相法制备碳化硅的历史可以追溯到20世纪60年代，最早由Halden等人在1961年通过从溶解了C的高温Si熔体中获取SiC单晶的方式首次实现。

这一时期，液相法生长SiC单晶的研究相对活跃，甚至一度超越了物理气相传输（PVT）法。然而，随着70年代PVT法的技术突破，液相法逐渐被“边缘化”。

然而，近年来，由于PVT法在制造大尺寸SiC晶体和降低成本方面遇到挑战，液相法又重新受到关注。

液相法从晶体生长原理和设备结构等方面都和目前主流的气相法相距甚远，因此技术门槛较高。

液相法的原理是利用 Si 和 C 元素在高温溶液中的溶解、再析出来实现 SiC 单晶的生长。其核心在于使用高纯石墨坩埚作为反应器，通过在熔融纯硅中加入助溶剂，提高其对C的溶解度。

除了用于盛放高温溶液外，高纯石墨坩埚还为晶体生长提供 C 源。这主要是由于高温溶液对 C 的溶解度低，为了实现大的生长量就必须在生长过程中进行 C 的持续补充。

具体来看，在坩埚靠近壁面的高温区域，碳溶解于熔融硅中；而在坩埚中心温度较低的碳化硅籽晶处，碳的溶解度降低，形成过饱和溶液。此时，溶液中的碳与硅结合，在籽晶表面进行外延生长。与此同时，溶液中析出的碳继续回流至坩埚壁，继续溶解，形成循环。

相比于PVT技术，液相法技术具有成本低、位错密度低、可获得低阻p型碳化硅等优点，具有重大的产业化应用前景，不仅可以实现低位错密度高品质碳化硅晶片，更可以实现碳化硅晶片的高成品率及低成本。

■图源：无锡新洁能股份有限公司对外投资公告

其中，在扩径和降本方面，两者则是相辅相成。增大单晶尺寸可以有效地提高器件的生产效率，降低单个器件的制造成本。

对比来看，PVT 法生长碳化硅晶体时，晶体直径的扩大需要多代生长不断继承才能实现缓慢的扩径，该过程对成本以及时间的消耗巨大；而液相法液相法在扩径方面则有着天然的优势，在生长过程中可以相对容易地通过调整提拉速度实现晶体的放肩扩径。

同时，通过扩径也可以大幅度地降低晶体中的位错密度，这是因为籽晶中的固有位错在生长过程中不会延伸到扩径区。

除此之外，液相法在生长低电阻率、高结晶质量的 p 型 SiC 单晶方面也很有优势。

同样对比来看，PVT法实现 p 型掺杂的 Al 源在晶体生长条件下的饱和蒸气压太大，在晶体生长初期 Al 源就会很快被耗尽，导致晶体中 Al 的掺杂浓度极不均匀，难以实现持续稳定的 p 型掺杂。另外，晶体生长界面处高浓度的 Al 也会严重影响晶体的结晶质量。

而液相法相比于PVT法等其他方法可以在相对较低的温度下进行生长，同时将 Al 分散在高温溶液中也可以进一步抑制 Al 的挥发。此外，液相法通过调控固-液界面能，抑制了生长过程中的相变，有利于生长出单一晶型的高质量p型SiC单晶。

液相法在SiC生长方面潜力十足，但它仍面临诸多技术挑战：

◎ 需要在生长速率和晶体质量之间找到平衡，过快的生长速度可能导致缺陷，甚至晶体开裂。

◎由于石墨坩埚在生长过程中不断腐蚀，可能会影响晶体生长环境的稳定性。

◎由于高温生长条件下测试的难度，对于液相中的热力学参数（如凝固点、表面张力、黏度等）尚未完全掌握

目前来看，作为新技术、新赛道的液相法长晶技术已然成为技术和产业焦点。但是，在商业化落地的道路上还有很长的路要走，技术发展有待进一步突破。

02.

液相法，国内进展几何？

在液相法路径发展发面，日本有住友金属、丰田汽车、三菱电机、东京大学、名古屋大学等，韩国有陶瓷工程技术研究所、延世大学、东义大学等。

其中，日本住友金属利用一种所谓MPZ（多参数和区域控制）液相技术，生长了高质量、低成本6英寸SiC，SiC长晶速度提高了5倍左右，消除了表面缺陷和基平面位错，无缺陷区（DFA）达到99%。

■住友使用顶部种子溶液生长法（TSSG）来生长4H-SiC单晶

国内方面，除了天岳先进外，还有中科院物理所、晶格领域、常州臻晶等企业有所布局。

中科院物理所

中科院物理所陈小龙团队在液相法SiC方面颇有进展。去年年初，央视就曾报道，中科院物理研究所科研团队们正在探索用一种新的方法生长碳化硅晶体的新闻。据了解，与传统方法不同，该4英寸的碳化硅晶体采用的是最新的液相法生长而成。

据中科院物理研究所研究员陈小龙透露，液相法的优点就是生长温度是比较低，比如说在1700~1800摄氏度左右，那么生长出来的晶体没有微管这种大的缺陷，位错密度也相对比较低一些。最重要的一个好处就是它生长出来的晶体良率比较高，就相当于变相地降低了每一片的成本。

此外，去年4月消息，该团队开发了一个生长3C-SiC的液相TSSG长晶设备：

◎与PVT法相比，TSSG方法可以更容易地调整SiC和熔体之间的界面能量（通过改变它们的化学成分）。

◎该团队在2021年就已经通过TSSG成功获得大于4英寸的4H-SiC晶体（1700~1800℃）。同样，此次的研发工作也成功生长了直径4英寸、厚度4-10毫米的大尺寸3C-SiC晶体。

目前，六方碳化硅（4H、6H）晶体的生长技术已经成熟，高质量的衬底已经完全商业化，但是体块3C-SiC单晶的生长依然滞后。

值得一提的是，承担中科院物理所液相法长晶关键核心技术转化的为北京晶格领域半导体有限公司。

晶格领域

北京晶格领域半导体有限公司是国内首家采用以液相法为核心技术生长碳化硅晶体的企业。目前晶格领域正处于关键技术攻关阶段，去年10月设备开始入场，已成功生长出第一批6英寸液相法碳化硅晶体。

■ 晶格领域采用液相法生长碳化硅晶体

去年年底，晶格领域总经理张泽盛在行业论坛上透露，晶格领域的设备涉及加热系统、高真空系统、晶种和坩埚的提升和旋转系统、测温系统、运行稳定性等，利用液相法（LPE）开发了2-6英寸P型低电阻高掺杂SiC衬底样品。

他还透露，晶格领域最新研究进展涉及P型SiC衬底上的JBS器件、P型SiC衬底上的SBD器件等。其中，基于固液界面能的控制，提出了非均相成核理论。基于液相法的特定温度场和溶剂体系，成功地开发出了质量优异的4英寸3C-N型SiC衬底样品。

张泽盛进一步表示，溶液法是制备高质量SiC晶体的一种很有前途的方法，已经生产出4英寸和6英寸的SiC晶体，成功地制备了3C型SiC和p型SiC衬底晶片。

常州臻晶

去年11月消息，新洁能拟以2500万元投资常州臻晶半导体，后者为一家专业从事第三代半导体碳化硅(SiC)液相法晶体研发、生产和销售的企业。

常州臻晶采用液相法生长的P型衬底，良率可从50%提高到75%，长晶效率可提升2-5倍，大幅降低碳化硅衬底成本。

常州臻晶实际控制人陆敏和核心技术团队成员多年从事化合物半导体和半导体材料研发，拥有热场设计、活性助溶体系、晶体稳定生长等核心技术，已突破大尺寸液相法碳化硅长晶技术。

据悉，常州臻晶开发的6-8英寸碳化硅液相法长晶炉（感应炉和电阻炉）能够以可视化生长出低成本高质量的晶体。

常州臻晶目前已掌握液相法相关核心技术：高效n/p掺杂技术、热场实时监控技术、多元活性助溶剂技术、固液界面稳定技术等。

■陆敏博士在《功率及化合物半导体国际论坛》的演讲

据《关于常州臻晶半导体有限公司之增资协议》公告透露，常州臻晶主营产品为6-8英寸碳化硅衬底，目前产品尚在研发阶段，计划于2024年9月实现产业化。公司产品布局主要包括：

◎ 6-8英寸n型碳化硅衬底，主要应用领域为新能源汽车、光伏、储能等；

◎ 6-8英寸p型碳化硅衬底，主要应用领域为高压场景，如轨道交通、特高压输电等；

◎6-8英寸半绝缘碳化硅衬底，主要应用领域为5G通讯等。

当时公告消息，常州臻晶6英寸产品预计于2023年下半年（6-9月）向客户送样，已与目标客户达成相关意向。8英寸产品预计2025年推出。

总的来说，近年来PVT技术在降低成本问题上遇到了障碍，液相法再次成为学界及业界关注的焦点。尽管液相法制备SiC虽然面临一些技术和应用上的挑战，但其在大尺寸晶体生长、成本控制以及特定类型衬底的制备方面的优势，使其成为半导体材料领域的一个重要研究方向和潜在的应用领域。