进展｜8英寸碳化硅单晶研究取得进展

2022-04-27

碳化硅(SiC)是一种宽带隙化合物半导体，具有高击穿场强(约为Si的10倍)、高饱和电子漂移速率(约为Si的2倍)、高热导率(Si的3倍、GaAs的10倍)等优异性能。相比同类硅基器件， SiC器件具有耐高温、耐高压、高频特性好、转化效率高、体积小和重量轻等优点，在电动汽车、轨道交通、高压输变电、光伏、5G通讯等领域具有重要的应用潜力。高质量、低成本、大尺寸SiC单晶衬底是制备SiC器件的基础，掌握具有自主知识产权的SiC晶体生长和加工技术一直是相关领域研究的重点。
自1999年，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心先进材料与结构分析重点实验室陈小龙研究团队立足自主创新，利用自主研发的生长设备，系统研究了SiC晶体生长的热力学和生长动力学基本规律，认识了晶体生长过程中相变、缺陷等的形成机制，提出了缺陷、电阻率控制和扩径方法，形成了系列从生长设备到高质量SiC晶体生长和加工等关键技术，将SiC晶体直径从小于10毫米(2000年)不断增大到2英寸(2005年) 。 2006年，该团队在国内率先开展了SiC单晶的产业化，成功将研究成果在北京天科合达半导体股份有限公司转化，通过产学研结合，先后成功研制出了4英寸(2010年)和6英寸(2014)SiC单晶。目前，北京天科合达实现了4-6英寸SiC衬底的大批量生产和销售，成为国际SiC导电晶圆的主要供应商之一。

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图一.8英寸SiC晶体和晶片照片
SiC器件的成本主要由衬底、外延、流片和封测等环节形成，衬底在SiC器件成本中占比高达~45% 。为了降低单个器件的成本，进一步扩大SiC衬底尺寸，在单个衬底上增加器件的数量是降低成本的主要途径。 8英寸SiC衬底将比6英寸在成本降低上具有明显优势。国际上8英寸SiC单晶衬底研制成功已有报道，但迄今尚未有产品投放市场。
8英寸SiC晶体生长的难点在于：首先要研制出8英寸籽晶；其次要解决大尺寸带来的温场不均匀和气相原料分布和输运效率问题；另外，还要解决应力加大导致晶体开裂问题。在已有的研究基础上， 2017年，陈小龙研究员、博士生杨乃吉、李辉副研究员、王文军主任工程师等开始8英寸SiC晶体的研究，通过持续攻关，掌握了8英寸生长室温场分布和高温气相输运特点，以6英寸SiC为籽晶，设计了有利于SiC扩径生长的装置，解决了扩径生长过程中籽晶边缘多晶形核问题；设计了新型生长装置，提高了原料输运效率；通过多次迭代，逐步扩大SiC晶体的尺寸；通过改进退火工艺，减小了晶体中的应力从而抑制了晶体开裂。 2021年10月在自研的衬底上初步生长出了8英寸SiC晶体。

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图二.8英寸SiC晶片的Raman散射图谱
近期，团队通过优化生长工艺，进一步解决了多型相变问题，持续改善晶体结晶质量，成功生长出了单一4H晶型的8英寸SiC晶体，晶坯厚度接近19.6mm ，加工出了厚度约2mm的8英寸SiC晶片(图一)并对其进行了相关测试。 Raman散射图谱和X射线摇摆曲线测试结果表明生长的8英寸SiC为4H晶型，如图二所示；(0004)面的半高宽平均值为46.8arcsec ，如图三所示。相关工作已申请了三项中国发明专利。
8英寸SiC导电单晶研制成功是物理所在宽禁带半导体领域取得的又一个标志性进展，研发成果转化后，将有助于增强我国在SiC单晶衬底的国际竞争力，促进我国宽禁带半导体产业的快速发展。
以上工作得到了科技部、新疆生产建设兵团、国家自然科学基金委、北京市科委、工信部、中国科学院等部门的大力支持。

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