新型Si-Cr-Y-C溶液体系在1823-1923 K低温区间快速生长SiC单晶的研究

本文推荐一种创新性Si-Cr-Y-C溶液体系，通过引入稀土元素Y与Cr协同作用，显著提升碳（C）溶解度（1823 K时达6.41 mol%，较传统Si-Cr溶液提高33.7倍），实现在1823-1923 K低温区间高效生长碳化硅（SiC）单晶。该体系突破物理气相传输法（PVT）需>2073 K高温的限制，兼具低缺陷（TSD/TED/BPD密度显著降低）、低能耗优势，为新能源车用SiC功率器件（MOSFETs）衬底低成本制备提供新策略。

　　

Highlight

Si-Cr-Y-C溶液体系中碳溶解度与SiC稳定性

碳（C）溶解度是决定溶液法快速生长SiC单晶的关键因素，而SiC在溶液中的热力学稳定性则是生长单晶的必要条件。本研究通过高温化学实验测定Si-Cr-Y-C溶液在1923 K和1823 K下的C溶解度及SiC稳定性。

C solubility in Si-Cr-Y-C solutions and Stability of SiC

表1和图3(a)展示了不同Si-Cr-Y溶剂在1823K和1923K下的C溶解度。随着Y含量增加，溶剂中C溶解度显著提升：在Si-(40-x)Cr-xY（x: 0-40 mol%）体系中，1823 K时C溶解度从0.19 mol%（Si-40Cr）飙升至6.41 mol%（Si-40Y，增幅33.7倍）；1923 K时从0.25 mol%跃升至10.41 mol%（增幅41.6倍）。值得注意的是，所有设计的Si-Cr-Y溶剂形成的溶液中，SiC是唯一热力学稳定的固相，这意味着生长过程中不会产生其他固态夹杂物。

Conclusion

本研究设计的新型Si-Cr-Y溶剂成功将SiC晶体生长温度降至1823-1923 K，较常规溶剂（≥2073 K）实现重大突破。核心发现如下：

1）当溶剂组成为Si-(40-x)Cr-xY（x: 5-40 mol%）时，1823 K下C溶解度提升至6.41 mol%，1923 K达10.41 mol%；

2）温差实验证实，新型溶液中的SiC晶体生长速率和尺寸均优于传统Si-Cr-C溶液；

3）润湿性实验表明，Si-Cr-Y溶剂在1823-1923 K能完全熔融并与4H-SiC晶种良好浸润。这项研究为开发低成本、低缺陷SiC单晶生长技术开辟了新途径。