碳化硅(SiC)具有寬帶隙、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高熱導率等優(yōu)異性能，在新能源汽車、光伏和5G通訊等領域具有重要的應用。與目前應用廣泛的4H-SiC相比，立方SiC(3C-SiC)具有更高的載流子遷移率(2-4倍)、低的界面缺陷態(tài)密度(低1個數(shù)量級)和高的電子親和勢(3.7 eV)。利用3C-SiC制備場效應晶體管，可解決柵氧界面缺陷多導致的器件可靠性差等問題。但3C-SiC基晶體管進展緩慢，主要是缺乏單晶襯底。前期大量研究表明，3C-SiC在生長過程中很容易發(fā)生相變，已有的生長方法不能獲得單一晶型的晶體。

根據(jù)經(jīng)典晶體生長理論，對于光滑界面晶體，同質(zhì)二維形核需要克服臨界勢壘，存在臨界Gibbs自由能或過飽和度，而生長則可以在任意小的過飽和度下進行。對于異質(zhì)形核，由于引入了新的固-固界面能，二維形核需克服更高的臨界勢壘。因此在相同過飽和度下，同質(zhì)形核和生長在能量上明顯優(yōu)于異質(zhì)形核和生長，使得后者很難發(fā)生。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的陳小龍團隊提出了調(diào)控固-液界面能，在異質(zhì)籽晶上較同質(zhì)籽晶優(yōu)先形核和生長的學術思想。主要包括：1)3C(111)面和4H(0001)面的晶格失配度小，固-固界面能很低;2)4H和3C體相Gibbs自由能的差別較小;3)如果通過調(diào)控熔體成份，使得3C(111)-熔體的界面能較4H(0001)-熔體的界面能足夠低，二維形核以及后續(xù)生長的Gibbs自由能則對于3C相更有利。該團隊自主設計、搭建了超高溫熔體表面張力和固-液接觸角測試設備，在高溫下測量了不同成份熔體的表面張力，熔體與4H-SiC、3C-SiC的接觸角，獲得了4H-SiC、3C-SiC與高溫熔體的固-液界面能的變化規(guī)律，驗證了界面能調(diào)控的可行性。該團隊利用高溫液相法，實現(xiàn)了相同過飽和度條件下3C-SiC的Gibbs自由能更低的要求，抑制了生長過程中的相變，在國際上首次生長出了直徑2-4英寸、厚度4-10mm、單一晶型的3C-SiC單晶，如圖1和圖2所示。

圖1. 采用高溫液相法，在六方碳化硅(4H-SiC)籽晶上實現(xiàn)了2-4英寸、厚度4-10 mm、立方碳化硅(3C-SiC)的異質(zhì)形核和晶體穩(wěn)定生長

沿晶體厚度方向的Raman散射光譜測量結(jié)果表明，生長一開始，3C-SiC即在4H-SiC籽晶上形核、生長，兩者共存區(qū)小于20 μm，見圖2(a-b)，進一步證實了上述理論。(111)生長面的X射線搖擺曲線半高寬的平均值為30 arcsec，表明生長的3C-SiC具有高的結(jié)晶質(zhì)量。3C-SiC單晶的室溫電阻率只有0.58 mΩ·cm，為商業(yè)化4H-SiC晶片電阻率(15-28 mΩ·cm)的~1/40，有望降低器件的能量損耗。

圖2. 3C-SiC晶型的確定。a) 在(111)生長面上隨機選取20個點的Raman散射光譜圖，插圖為測試點在晶體上的位置分布圖。b) 沿晶體厚度方向的Raman散射光譜圖。c) 300 K測量的光致發(fā)光(PL)圖譜。d) 高角環(huán)形暗場掃描透射電鏡(HAADF-STEM)圖。插圖為沿[110]晶帶軸的選區(qū)電子衍射(SAED)圖晶圓級3C-SiC單晶的生長填補了國內(nèi)外空白，使3C-SiC晶體的量產(chǎn)成為可能，也為開發(fā)性能優(yōu)異的電力電子器件提供了新的契機。同時，異質(zhì)籽晶上較同質(zhì)籽晶優(yōu)先形核和生長的機制拓展了傳統(tǒng)的晶體生長理論。

相關成果以“High Quality and Wafer-Scale Cubic Silicon Carbide Single Crystals為題在Energy Environment Materials (2023, 0, e12678)上發(fā)表。博士研究生王國賓和盛達為共同第一作者，李輝副研究員和陳小龍研究員為共同通訊作者。王文軍主任工程師和郭建剛研究員深度參與了本工作。相關成果已申請了國內(nèi)發(fā)明專利和國際PCT專利：陳小龍，李輝，王國賓，盛達，王文軍，郭建剛;用于制備3C-SiC單晶的方法;申請?zhí)枺?02310109001.9，PCT/CN2023/090284。以上工作得到了北京市科委、科技部、中國科學院、國家自然科學基金委、工信部等相關部門的大力支持。

審核編輯：湯梓紅