随着器件的飞速发展和应用的不断的扩展，对于碳化硅材料提出了两个极大的挑战。
【分享主题】碳化硅主题报告（二）宽禁带sic材料研究进展
【分享时间】4月7日（周二）15：00-16：00
【分享嘉宾】彭燕 山东大学副教授
▌以下为整理的分享内容（略有删减）。
大家下午好，我是来自山东大学晶体材料国家重点实验室的彭燕，非常荣幸收到了第三代半导体产业技术创新战略联盟的邀请，给大家分享宽禁带碳化硅材料的进展。根据联盟近期的一个安排呢，围绕碳化硅材料和器件会有一个系列的报告，涵盖了材料、器件和应用。而我们课题组一直从事的就是碳化硅单晶材料的生长和加工这么一个环节，所以我就抛砖引玉的给大家介绍一下碳化硅单晶材料。
我的报告分为以下的4个部分，第1个部分是碳化硅材料的性质及其应用。第2个部分是碳化硅的结构和研究历史。第3个部分是现阶段碳化硅材料研发和产业的现状。第4部分如果时间来得及的话，就简单的介绍一下我们晶体材料国家重点实验室。
我们就从第1部分开始。众所周知，半导体产业发展至今经历了三个阶段，第1个阶段就是以硅为代表，集成电路为核心的微电子领域的一个发展阶段。第2个在阶段就是以砷化镓为代表，其主要的应用是光电子领域和通信领域。第3个阶段就是现在宽禁带半导体材料的一个兴起。现在比较成熟的第三代的宽禁带半导体材料就是氮化镓和碳化硅这么两个材料。
从这张图可以看得很清楚，半导体材料的发展的趋势，就是禁带宽度越来越大，从硅材料最初的1.1电子伏特，到砷化镓的1.4电子伏特，再到碳化硅、氮化镓禁带宽度在3电子伏特左右，再到现在非常热门的所谓的超宽禁带半导体材料，禁带宽度大概在5电子伏特左右，代表材料就有金刚石、氧化钾和氮化铝这三个材料。为啥禁带宽度是这么一个重要的参数呢？
从基本性质上我们来看一下，宽的禁带宽度可以提高工作温度。硅器件的极限工作温度是600℃，而碳化硅器件的极限工作温度可以达到1500度以上。如果是个直接带隙的材料，禁带宽度对应的就是它的发光波长。砷化镓禁带宽度1.4，对应的就是一个红光的范围。而氮化镓禁带宽度在3，对应的是一个蓝光波段。除了禁带宽度，碳化硅本身还有一系列优异的物理化学性能，这里简单的挑两个来讲一讲，碳化硅临界的击穿电场是硅材料的10倍，是砷化镓材料的5倍，临界击穿电场可以提高碳化硅器件的一个耐压的容量、工作的频率、电流的密度，降低整个器件的一个导通的损耗，再加上碳化硅本身热导率非常的高，和铜基本相当，更是如虎添翼。器件和系统的散热问题，都会得到有效的解决。当然，现在在超宽禁带材料中出现了金刚石这么一个材料，它的热导率是碳化硅的4倍，电学性质也极其的优异，引起了科研和产业的极大的关注。当然这是另外一波材料的发展了。但是如果我们回过头来从材料基本性质这个层面去看这个问题，我们就可以看出来材料的基本性质大体上就决定了它所制备的器件的一个基本性能和它应用的一个场景，这也是所谓的一代材料会决定一代器件。
从器件角度我们再稍微比较一下硅的功率器件和碳化硅的功率器件。这里列举了两个简单的例子，同样的3千伏的MOSFET的器件，碳化硅的导通电阻是硅材料的1/300，尺寸只有硅材料的1/10。对于300兆瓦的逆变器系统，碳化硅系统的损耗只有硅损耗的1/3，从这个比较能看得出来碳化硅器件具备一个更高能效、更高功率密度、更小尺寸和更高可靠性这些优点，特别适用于这种低功耗、小型化、高频、高功率的应用的场景。
我们反过来再回到碳化硅衬底的应用场景。碳化硅衬底的应用场景其实是有两个的，一个是电力电子的碳化硅的器件，电力的器件一般采用的就是N型的偏4度的碳化硅衬底材料，在碳化硅衬底材料上进行同质的外延。制备的器件包括肖特基二极管、MOSFET、IGBT等。碳化硅器件的应用场景就很广泛了，主要集中在一些光伏储能中的逆变器、数据中心服务器的ups电源、智能电网、充电站等需要转化效率较高的这么一个领域。随着近些年电动和混合动力汽车的一个发展，碳化硅也在新的领域迅速的崛起，辐射的产业包括 PV/EV的充电、智能电网等能源领域，汽车的逆变器、基础设施中的服务器等这些应用场景。在电力电子器件的一个领域，碳化硅功率器件的技术，一直与硅的功率器件是相并存的状态。碳化硅的优势前面也都讲过了，高功率密度、高温、高效、体积小，劣势就是碳化硅的价格相对来说是比较高的。现阶段碳化硅二极管器件的价格是硅相当器件的1~2倍，晶体管的价格大约是5倍左右。全碳化硅模块的IGBT的价格也是3~5倍。但是等我们考虑到整个系统的时候，硅器件的价格优势就不是特别的明显，在考虑到长期的运行，能耗和体积、安装费用等等这些问题的时候，碳化硅的优势就会体现出来了。这一部分我相信碳化硅器件和应用的专家会有一个更详细的测算和讲解。
除去硅的电力电子器件，碳化硅的电力电子器件和氮化镓的电力电子器件也存在着一个相互竞争的关系。碳化硅现在一般认为是应用在功率更高、耐压更高的那么一个领域，氮化镓的电压的范围是在1200伏以下。碳化硅是从600伏开始到一个更高的领域，600~1200伏是两者共存的那么一个区域。
但是从整个功率器件的市场总额来看，碳化硅现阶段的功率器件市场的份额还是非常的有限的，具有一个超速发展的空间。Yole预测，碳化硅的功率半导体市场规模的增速每年有30%以上，科研和业界都非常看好碳化硅的器件的发展。
除了电力电子器件,碳化硅材料作为衬底材料还可以应用于氮化镓异质外延。相比于现在通用的蓝宝石衬底材料，蓝宝石本身跟氮化镓的晶格失配有14%，硅与氮化镓的晶格失配有17%，而碳化硅与氮化镓的晶格失配只有3.4%，再加上碳化硅本身的热导率非常的高，特别适用于这种高能效的LED和大功率的氮化镓微波器件。随着5g技术的发展，基于半绝缘碳化硅衬底、氮化镓的这么一个技术路线，前面已经做了大量的研究的工作，即将进入一个高速的增长期。有报道称，2019年美国II-VI公司就签署了一个金额超过1亿美元的协议，为无线基站氮化镓射频功率放大器提供半绝缘的衬底材料。
当然与碳化硅竞争的是硅基的氮化镓技术，还有处于研究阶段的金刚石级的氮化镓技术，这个在氮化镓的环节，相关专家介绍会比较多，在这就不重复了。
碳化硅材料从材料到应用是一个整个流程的产业链，包括很多的环节，其中单晶生长是一个重要的环节，衬底制备也是一个很重要的环节。衬底制备这边，因为碳化硅本身它硬度比较高，它的切割、研磨、抛光都有很大的难度，等我们把它切割加工完毕之后，就可以在上面进行一个外延的生长，然后再进行一个器件的工艺的工作，最后完成模块。从这个上面也可以清楚地看到，碳化硅材料本身是处于整个产业链的一个上游的，那也是今天我们主要讲的这一部分的内容。
随着器件的飞速发展和应用的不断的扩展，对于碳化硅材料提出了两个极大的挑战。第1个就是碳化硅的衬底现在的价格还是远远高于硅和蓝宝石衬底的，而且碳化硅衬底的主流直径只有4~6英寸，那么因此现在需要更加成熟的一个生长的技术，来扩大它的尺寸，降低它的价格来提供商用的高可靠性的产品。第2个挑战就是质量方面的问题。碳化硅位错密度现在相对来说还是比较高的，在10的二次方到10的四次方这么一个量级，远高于现在像硅、砷化镓等等这些材料。本身还存在一些较大的应力，导致面型参数还是有些问题。这些问题会降低外延材料的质量，降低器件制备的产率，影响器件的可靠性和寿命。除了这些问题之外，还有比方说p型碳化硅衬底的制备，还存在一些技术上的问题。然后还有新的生长技术和新的加工技术，有没有可能开拓出来，从而进一步的降低碳化硅的成本。
当然相对于氮化镓材料而言，还有其他的超宽禁带材料而言，碳化硅已经是一个非常成熟的材料了。它的发展历程非常长，也经历了很多重要的历史节点。
早在1824年，瑞典的科学家贝采利乌斯在人工合成金刚石的过程中，他就看到了碳硅键这么一个结构。1885年Acheson用焦炭和硅石的混合物制备出了小尺寸的碳化硅。这个方法也是现阶段切割和研磨抛光用的碳化硅粉料制备方法的雏形。1905年法国科学家莫桑在陨石中发现了天然的碳化硅，这也是现阶段为什么碳化硅宝石被称为莫桑石的原因。1907年美国电子工程师制造出了第一根碳化硅的发光二极管。然而由于碳化硅是一个间接材料，它的发光效率相对来说还是比较低的。因为碳化硅的生长技术非常的复杂，且晶体当中存在着大量的缺陷和多型，碳化硅的发展一度都是停滞的。如果我们反过头来从时间节点上去看，硅和碳化硅材料差不多是同时被提出来的，但是硅迅速的发展和崛起了，这就是因为它相对来说比较好生长，所以一个材料它是否能被大量的应用很大程度依赖于它能否生长出高质量的材料来。
碳化硅生长技术一直得不到突破，我们就要从碳化硅的基本结构性质来看，碳化硅晶体，它的基本结构为CSi4的这种四面体的结构，硅碳会形成一个双原子层，双原子层进行依次的排布就会形成一个晶体，在这种排布过程中会有不同的排列的方法。比方这张图所示的4H-SiC的话，它就是A、B、C、B这么一个排列。6H-SiC是A、B、C、A、C、B这么一个排列。在这种排列过程中，他们的晶格会不同，性质也会不同。在现在的研究中表明碳化硅存在着200多种晶体结构，它的化学计量比都是相同的，但是结构都不同。在众多的这种结构中，4H-SiC、6H-SiC和15R-SiC是可以得到体块材料的，3C-SiC是一个薄膜材料。在这些材料单晶生长过程中，由于这些不同的晶型结构是非常的相似的，很容易出现多型。也就是说如果我想得到一片4H-SiC，这里面就会夹杂着6H和15R的多型。左下角所示它就存在三个不同的晶型的衬底。从这个图片中我们也可以看到，一旦出现了多型，首先它的光学电学性质就会出现浮动，然后也会夹杂着大量的微管和层错的产生，对晶体的产率和使用都会带来不良的影响。
从生长角度再去看。如果我想像硅一样，利用化学计量比熔体中提拉生长它是不是可行的呢？从这个相图的分析，我们可以看到，这个条件是非常苛刻的。碳化硅化学计量比的共溶体，只有在温度超过3200度，压力超过10Gpa的时候才能形成。当温度超过2600度，碳在硅中的溶解度只有10%。因此碳化硅是没法用熔体法来进行生长的，人们就另辟了蹊径用升华法来生长。
1955年Lely就首次提出了这种升华法，他是怎么做的？他是在一个密封的环境里面加热碳化硅粉进行升华，在内壁上结晶。在这个方法当中，结晶质量无法把控，而且会出现大量不同的多型。左侧这个图就是出现在这些不同的晶型，其中比较少见有8H、21R等。1975年俄罗斯的研究学者对Lely法进行了一个改进，他在上方引入了一个籽晶，引入籽晶之后，单晶的生产就更加容易控了。首先它尺寸基本就一定了，然后晶型也相对来说稳定了一些。通过11年的技术的改造和积累，现在基本运用的方法就是右图下方所示的这么一个图，粉料出在底部，籽晶放在上面，加热之后粉料形成气流传输到顶部进行晶体的生长。这个方法现在已经成为碳化硅的一个标准的生长的方法。
当然前期的研究结果给了我们很多的启示，比方说在Lely法中，我们得到了温度与多型结构之间的关系。左边这张图就是Lely法中的一个结果，从这个图中也可以看得很清楚，2000度到3000度这个温度区间里面，6H的生长是占据了很大的优势的。在2000~2400度的时候，有一个小区域在角上，红箭头所指的位置是4H碳化硅的生长，通过4H和6H的这种性质的对比，我们也可以看到4H的禁带宽度相对来说是更宽一点。它的电子迁移率是6H碳化硅的两倍，是我们更想得到的材料。所以在1994年，Cree推出这种商用的4H碳化硅衬底材料。这一突破性的进展，就立即掀起了碳化硅器件和相关研究的一个热潮。碳化硅的材料和器件进入了一个快速的发展期。
介绍完历史和应用之后，重点我们来介绍一下碳化硅单晶的生长研发情况。这一部分也分了两个部分，第1个部分就是20年以来碳化硅研发和产业到底主要在做些什么工作。第2个部分是现在我们产业研究的现状。
现阶段碳化硅单晶是有三个生长方法的：PVT、HT-CVD和LPE。PVT当然是最主流的一个方法了，商用的95%以上的碳化硅衬底都是用这种方法生长的。比方说现在主要的厂商Cree、II-VI、Dow Corning和Sicrystal都是用这种方法。
我们来看一下PVT方法的装置，其实他跟十几年前基本是一致的。中间这张图可以清楚的看到，最外面黑色的是一个加热的线圈，里面灰色的是双层的石英管，中间通着冷却水来保持整个系统的稳定。再往里浅蓝色的是石墨纤维的保温材料，再往里红色的这部分是石墨坩埚。石墨坩埚是一个封闭的系统，里面下部放着粉料，上面放着籽晶，石墨坩埚即是生长的容器也是加热器。在生长开始的时候，我们先把腔体密封从常压的状态降到真空的一个状态排空里面的空气，然后充入载气，一般现在采用的都是氩气，升温到生长温度，然后再降压，然后就开始了生长。一般而言，原料的温度在2300度到2500度，籽晶的温度大概在2000多到2400多，压力一般采用的是0.1~300千帕这么一个量级，生长的速率大约是在50微米到几百微米。碳化硅粉料在高温和低压的情况下，它进行升华，产生的气相物质在温度梯度的驱动下，达到温度较低的籽晶进行结晶和生长。虽然整个方法称为PVT法，也就是物理气相传输法，但是生长过程中涉及到了多个复杂的化学的反应，它本身整个腔体是密封的，温度很高，仅在坩埚的上下盖处有两个测温的点，而石墨坩埚内部反应和生长都是无法观测的。
整个生长系统是一个黑匣子，生长系统中的这种温度分布、气流分布、物质传输、生长界面和粉料的变化都很难去观测。所以理论分析一度是碳化硅生长研究的一个热点，涉及到了一些热力学、质量传输、表面动力学等内容。
我们从热力学的分析开始，是通过吉布斯自由能的变化反应平衡常数的计算得到反映物种及其平衡式的一个蒸汽压。在硅碳的系统中，含有了很多的物质，现在知道的有12种，主要的是Si、Si2C和SiC2。右侧就是计算的一个结果。从这个结果我们也可以看得出来，随着温度的变化各种物体的分压是不同的，而且物质分压会随着温度变化不停的在变化，如果我们把硅和碳单独抽出来看一下的话，硅和碳的并不是满足化学计量比的，而且是随着温度的升高，碳的比例越来越大，热力学计算只给出了反应的趋势，物质是如何达到生长界面的，这就属于物质输运的一个工作范围了。
生长温场的构建，会形成一个原料和籽晶之间的温度差，粉料会进行升华，这个也会形成一个物质的浓度差，从而物质就会从粉料输运到籽晶的表面进行一个生长。输运是非常复杂的过程，里面涉及到了一些温度、压力，各种气体之间的互相的作用，影响最大的当然就是温度的一个分布了。从有限元的计算中，我们可以看出整个腔体的温度的分布的情况。我们把籽晶的这一部分单独挑出来放大看，可以看到在籽晶上面就存在着一个径向的温度梯度差，当然粉料中它会有一些轴向的温度梯度差。如果我们去改变腔体的结构、改变保温，会极大的影响温度的分布。中间下面这个白色的图是一个系列的模拟的工作，我们改变了保温的厚度，从加热功率到籽晶处的温度分布到料内的温度分布，都发生了一个改变，从而会进一步的影响热力学和输运的过程。与此同时，随着生长时间的变化，整个系统中是一个动态的变化，温度分布、输运的途径，碳硅比都会发生变化。我们来看一下动图，在长达80个小时的生长过程中粉料的形态和物质传输的途径都发生了改变，因此碳化硅生长是一个无比复杂、动态发展的这么一个生长过程。所以采用有限元的模拟的工作，可以给实验带来极大的指导。
当物质输运到界面以后，还需要一个界面的过程才能进入晶格。而碳化硅本身就是一个典型的螺旋位错生长的一个机制，生长台阶起源于界面上的这种位错露头点。那台阶的运动会形成一个螺旋线，提供源源不断的生长台阶。左边这三张图，就是它的生长机制，螺旋位错形成了非常规则的螺旋线台阶，而稳定的台阶生长跟物质的吸附和迁移是密不可分的。吸附物质在台阶上进行一个定向的迁移，然后进入晶格或者说再解吸附。从能量的角度来看，Kink位置是最稳定的，这也是我们想要的生长模式，会有利于晶型的稳定。而实际上并不是所有传输的物质都会进入听kink位置进行生长，当沉积速率过快，吸附物质会在台面上进行成核，极易产生多型。
基于以上的理论分析，碳化硅中还存在一个很重要的问题就是说如何实现扩径。不同于硅材料，可以利用这种提拉法的放肩技术去实现小籽晶生长大籽晶。碳化硅扩大直径的方式是非常的有限的。这几幅图是日本学者报道的4英寸籽晶实现5英寸生长的情况。从这个结果来看的话，扩径部分的应力相对来说还是比较大的。在扩径部分（0001）的螺旋位错和微管，会转变成基平面位错和层错。从这些角度来看的话，扩径是可以实现的，而且扩径部分是有利于螺旋位错和微管密度的降低的。
除了稳定生长和直径的扩大，碳化硅的缺陷也是重要的一个研究的内容。在碳化硅中存在着不同的缺陷、背管、螺位错、刃位错、基平面位错、层错。随着生长和器件技术的发展，各类缺陷的密度一直在降低，同时各类缺陷在外延材料中的转化和抑制技术也相应的发展了起来，对产率和器件可靠性的影响也逐步的明确。比如前期一直影响产率和器件性能的微管，随着07年Cree发布了零微管密度的4H-SiC衬底，商用产品的微管密度得到了有效的控制，而螺位错、刃位错、基平面位错，现在这个阶段已经降至了10的二次方到10的四次方这么一个量级。其中BPD对双极性器件的影响还是比较大的，是现阶段主要工作的一个目标。我们逐一的来看一下各类缺陷的一些内容。
2010年以前大家对微管的关注是比较多的，从微管的基本性质到微管的形成机理，到如何观察微管都有特别多的研究。左边这张图是Cree的微管逐年降低的一个情况，我们也可以看到，四英寸的微管降低的速率是远远大于三英寸的速率的。现在有报道也可以看得出来，六英寸和200毫米的碳化硅的微管的降低的速度也是非常的快的。右边的图是一些测试的结果，上面是AFM显示的是微管形成的一个生长的台阶，同时也再次验证了微管的直径与伯格斯矢量之间的关系，证明了微管的本质是超级螺位错。右侧下图是偏振光下衬底的材料，可以全片观察到微管的分布情况。右下角X同步辐射也是观察微管的一个主要手段。附图是山东大学零微管密度衬底的一个同步辐射的结果。
除了微管，位错现在是研究的重点，同步辐射、TEM都是常用的观测的手段。熔融的氢氧化钾的腐蚀位错是最为简单可行的一个方法，可以通过腐蚀坑的大小、深度、形状去观察辨别不同的缺陷，统计位错的分布。而光学观测和统计，已经成为一个商用的方法。右下II-VI的200毫米碳化硅衬底的一个缺陷的情况。从结果来看的话，缺陷的总数是2.8×103/cm2，基平面位错已经降低到了1.7×102，代表了现在最优的200毫米的碳化硅衬底的一个研发的情况。
从前期的研究结果来看，碳化硅的缺陷来源有很多的，包括早期经常出现的多型， Si滴还有空洞。现阶段的研究表明生长台阶的一些交汇、晶体中的应力都会引起位错的一个增值。如何控制相关的参数从而进一步的降低和控制缺陷是现阶段碳化硅生长的主要的工作。
不同的电学性质的碳化硅衬底对应不同的应用的需求。商用的碳化硅衬底现在主要有两类，一类就是N型导电的碳化硅衬底。前面我们也讲了，它是主要用于电力电子器件的制备，要求电阻率要小于30毫欧。一般采用的是偏4度的一个碳化硅衬底材料，其主要的杂质是氮，N型的碳化硅衬底应该说是最成熟的一个商用产品。第二类就是半绝缘碳化硅衬底，半绝缘碳化硅衬底前面也讲了是用于异质生长氮化镓薄膜的，对他的要求而言就是电阻要大于10的5次方,制备氮化镓的微波器件，半绝缘衬底分为两个不同的技术路线，一个是掺杂的，一个就是高纯的半绝缘。而对于P型导电的碳化硅衬底，现在的产品是非常少的，还处于研究阶段，它的电阻有报道大约是2.5欧，远高于N型的衬底材料，主要的掺杂剂是铝。
碳化硅氮的掺杂技术已经相对来说比较成熟了，也比较简单，只需要在生长腔体中通入高纯的氮气就可以实现。氮气的流量、不同的生长面、生长机制、温度都会影响氮杂质的掺杂。左上这张图显示随着氮气流量在总载气流量中的比例，从无升高到10%，氮的杂质浓度就从10的17次方增加到10的19次方每立方厘米，超过10%以后继续提高氮气的比例的话，掺杂浓度基本就保持不变了，处于一个饱和的状态。同流量的情况下，碳面的生长更易氮杂质的掺杂。在同晶片中，不同的生长机制会影响氮的杂质浓度，小面位置掺N浓度高。同样的流量比例的情况下，提高生长腔的生长温度，氮的掺杂的几率就会降低。在氮杂质掺杂的研究过程中，对浅能级杂质的特性有了一个很细致的了解，为下一步半绝缘生长中浅能级杂质的降低提供了思路。
对于半绝缘碳化硅而言，其实是有两个技术路线的。前面我们讲了一个是掺杂半绝缘，另一个是高纯半绝缘。两者的区别就在于掺杂半绝缘是引入过度金属钒，作为深能级杂质来补偿浅能级杂质的。而高纯半绝缘本征点缺陷作为深能级的中心来补偿浅能级杂质。所以在高纯半绝缘中要求有足够低的浅能级杂质和足够多的和热学稳定性的本征电学性。采用EPR、PL、DLTS等技术对碳化硅中的点缺陷进行了一个深入的研究。碳化硅晶体中存在多种的本征点缺陷，比方说Vc、Vsi等等，快速退火技术可以有效的增加点缺陷的浓度。当然高纯半绝缘的技术现在仍只有少数的公司和研究机构所掌握，比如Cree、Norstel还有我们山东大学等等。
下面讲一下山东大学晶体材料国家重点实验室在碳化硅中所做的工作。山东大学的研究工作是在2000年左右开始的，是由蒋民华院士指导，长江学者徐现刚教授为课题负责人开展的工作，组建团队之后，已经有了将近20年的研究历史。在这过程中也历经了几个重要的节点，比如说04年我们实现了两寸碳化硅的生长，06年我们攻克了碳化硅的加工的问题，实现了开盒即用的衬底。08年我们自主开始制备碳化硅的单晶炉，09年的时候，我们就从6H的生长转到4H的生长。到13年的时候，我们实现了6英寸碳化硅的制备，14年实现了高纯半绝缘的制备。毫不夸张和毫不谦虚的去讲，山东大学的碳化硅的研究历史，就是国内碳化硅的一个发展的历程。
下面这张图，山东大学研制的2~4英寸的晶体和开盒即用的衬底材料，以及6英寸的高纯半绝缘晶体和衬底材料。
近两年山东大学主要研究的工作集中在以下几个方面，一个就是应力的降低。随着碳化硅直径的增大，特别是6英寸和8英寸的研制，晶体中的应力问题不仅仅影响基平面位错，严重的情况下甚至会引起开裂等问题。利用中子衍射和全片的应力分析，研究应力集中的区域并计算出应力大小，利用温场模拟和优化工作，降低了6英寸的开裂的几率。
第2个主要工作就是位错密度的降低。我们借鉴氮化镓测向外延的这种生长的技术，采用图形化籽晶的方法来降低碳化硅衬底中的穿透性位错。首先利用籽晶背部两种不同热导率的物质的一个周期性的分布，调制籽晶表面的一个温度分布，在预定图形的位置温度较低的部分碳化硅就会优先的成核，按照图形进行选择性的优先生长。随后进行侧向生长。在侧向生长的区域，位错密度会降低1~2个数量级。
第3个工作就是P型碳化硅的掺杂工作，我们采用的是B-Al共掺的这么一个技术，获得了高质量、低电阻的一个样品，比现在商用的p型碳化硅衬底材料电阻率低了一个量级，电阻率在461毫欧，X光的结果显示半宽仅为50.7arcsec。
还有一个工作就是优化加工工艺，获得优良的面型的参数和低表面粗糙度的衬底材料。
再一个同时为国内的相关的产业培养了大量的人才，积极推进了碳化硅的产业的进程。并于2018年于广州南砂晶圆半导体技术有限公司签订了一个专利转让和产学研合作的协议，现在已经建成了拥有单晶生长炉50台套加工检测设备20余台套的一个中式的基地，具备了4-6英寸 N型及半绝缘碳化硅衬底的生产能力。
除去PVT方法、高温HT-CVD方法也是现在商用的方法之一。产业单位典型的就是瑞典的 Norstel公司。HT-CVD方法的特点就是可以不受限于粉料和坩埚的这种限制，用高纯的气体作为原料，特别适合这种半绝缘衬底制备。
HT-CVD技术的发展，碳化硅中的这种位错密度也在逐步的降低，已经到了三次方的量级。生长速率从最初的微米量级提高到了毫米量级。但是相比 PVT而言，HT-CVD的成本还相对来说是比较高的。
日本的相关单位一直致力于这种液相法的生长。液相法的优点，它就是一个近平衡态的生长，可以获得低缺陷密度的衬底材料。液相法难度前面我们也讲过了，硅的溶液中碳的溶解度是非常低的，很难形成化学计量比的熔体。受到这种碳溶解度的限制，生长速率是非常的低的。因此采取的方案就是加入一些金属催化剂，比如说铝、钛、铁等等来增加碳的溶解度。其中铁基的铁硅合金可以实现200微米每小时的生长。当然这些金属的加入会长到晶体里面去，会影响半导体的特性，这就是另外一个问题了。
液相生长现阶段的研究主要集中在以下几个方面，第1个就是扩径生长，2019年报道最大的直径已经到了4英寸。第2个是提高生长速率，报道最高的生长速度可以到760微米每小时。第3个就是它可以有效的降低缺陷的密度。采用一个缺陷密度很高的一个籽晶来生长，晶体中的缺陷密度可以降低到它的1/10，可以实现扩径部分零螺位错、零刃位错的生长。
下一步我们简单的介绍一下产业的一个现状。现阶段碳化硅的主流厂商的工作集中在2点，第1个就是200毫米的研发和产业化的工作。从2015年开始，Cree、II-VI和Dow Corning都相继展示了200毫米的碳化硅衬底材料，并着手了200毫米的质量的优化工作。从报道情况来看，最少的微管密度已经降低到0.1个每立方厘米，位错密度是 10三次方到10的四次方这么一个量级，基平面位错最优的可以小于1千个。但是经过5年的发展，200毫米现在仍然处于一个研究的级别，没有商用的产品。
针对6英寸的碳化硅材料而言，由于市场的需求，2018年、2019年Cree、II-VI等相关的材料制备公司和相关的制备公司签署了一个长期的供货合同，并积极的扩大产能，利用并购等方式扩展产业链。有关报道称，Cree拟建造200毫米的碳化硅生产工厂，在2024年完工后，制造产能将会实现30倍的增长。
放眼整个碳化硅的市场，国际厂商仍是主流的供货商，其中美国Cree、II-VI和Dow Corning为首的厂商，占据了60%以上的衬底市场。亚洲除去日本以外份额占的比例不到4%。单纯从技术角度来讲，碳化硅的单晶生长具有一个较大的技术门槛。现阶段国产产品从直径、缺陷密度、稳定性等参数上，都与一流的厂商有一定差距。在中美贸易摩擦这种大环境下，国内急需摆脱这种国际的依赖。国内从上到下的政策和部署，都促进了宽禁带材料的发展。这几年从材料到器件，技术有了稳步的提高，产业链更加的完整，产业规模也在不断的扩大。碳化硅衬底的公司成立、扩产为国产碳为产业带来新鲜的血液。国产碳化硅衬底也必将有一个蓬勃发展的时期。
最后用最简单的语言介绍一下晶体材料国家重点实验室。
山东大学晶体材料研究工作是始于1958年，在蒋民华院士的带领下，1984年获准建立了这种山东大学晶体材料国家重点实验室。晶体材料国家重点实验室，一直坚持需求牵引、单晶为本的研究方针。围绕晶体材料开展大量的研究工作，取得了突出的成果。特别是针对半导体晶体材料的研究，早在84年就开始了布局，2000年开始了生长宽禁带半导体。
2010年着手布局了超宽禁带半导体材料。历经多年的一个积累，2019年获批教育部第一批集中攻关大平台。新一代的半导体集中攻关大平台，其主要的工作就是解决碳化硅、氮化镓及其他超宽带半导体金刚石、氧化镓、氮化铝半导体的核心装备原材料的研制、晶体的生长、加工及其器件的应用等这些关键的问题。
这就是晶体材料国家重点实验室生长的各类的晶体，囊括了水溶液、溶体生长、气相生长等多种手段，实现了大KDP、铌酸锂单晶薄膜、非线性光学晶体的生长。2010年以来，积极关注超宽禁带金刚石、氮化铝、氧化镓材料的研发，作为山东大学的研发人员，很荣幸能参与到碳化硅半导体的这种研发过程中。
今后在新的平台上会继续做着自己的研究工作，谢谢大家。
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