碳化硅(SiC)是一種寬帶隙化合物半導(dǎo)體，具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)(約為Si的10倍)、高飽和電子漂移速率(約為Si的2倍)、高熱導(dǎo)率(Si的3倍、GaAs的10倍)等優(yōu)異性能。相比同類硅基器件，SiC器件具有耐高溫、耐高壓、高頻特性好、轉(zhuǎn)化效率高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車、軌道交通、高壓輸變電、光伏、5G通訊等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。
高質(zhì)量、低成本、大尺寸SiC單晶襯底是制備SiC器件的基礎(chǔ)，掌握具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SiC晶體生長(zhǎng)和加工技術(shù)一直是相關(guān)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。
自1999年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳小龍研究團(tuán)隊(duì)立足自主創(chuàng)新，利用自主研發(fā)的生長(zhǎng)設(shè)備，系統(tǒng)研究了SiC晶體生長(zhǎng)的熱力學(xué)和生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律，認(rèn)識(shí)了晶體生長(zhǎng)過(guò)程中相變、缺陷等的形成機(jī)制，提出了缺陷、電阻率控制和擴(kuò)徑方法，形成了系列從生長(zhǎng)設(shè)備到高質(zhì)量SiC晶體生長(zhǎng)和加工等關(guān)鍵技術(shù)，將SiC晶體直徑從小于10毫米(2000年)不斷增大到2英寸(2005年)。
2006年，該團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了SiC單晶的產(chǎn)業(yè)化，成功將研究成果在北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司轉(zhuǎn)化，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，先后成功研制出了4英寸(2010年)和6英寸(2014)SiC單晶。目前，北京天科合達(dá)實(shí)現(xiàn)了4-6英寸SiC襯底的大批量生產(chǎn)和銷售，成為國(guó)際SiC導(dǎo)電晶圓的主要供應(yīng)商之一。
圖一. 8英寸SiC晶體和晶片照片
SiC器件的成本主要由襯底、外延、流片和封測(cè)等環(huán)節(jié)形成，襯底在SiC器件成本中占比高達(dá)~45%。為了降低單個(gè)器件的成本，進(jìn)一步擴(kuò)大SiC襯底尺寸，在單個(gè)襯底上增加器件的數(shù)量是降低成本的主要途徑。8英寸SiC襯底將比6英寸在成本降低上具有明顯優(yōu)勢(shì)。國(guó)際上8英寸SiC單晶襯底研制成功已有報(bào)道，但迄今尚未有產(chǎn)品投放市場(chǎng)。
8英寸SiC晶體生長(zhǎng)的難點(diǎn)在于：首先要研制出8英寸籽晶；其次要解決大尺寸帶來(lái)的溫場(chǎng)不均勻和氣相原料分布和輸運(yùn)效率問(wèn)題；另外，還要解決應(yīng)力加大導(dǎo)致晶體開(kāi)裂問(wèn)題。
在已有的研究基礎(chǔ)上，2017年，陳小龍研究員、博士生楊乃吉、李輝副研究員、王文軍主任工程師等開(kāi)始8英寸SiC晶體的研究，通過(guò)持續(xù)攻關(guān)，掌握了8英寸生長(zhǎng)室溫場(chǎng)分布和高溫氣相輸運(yùn)特點(diǎn)，以6英寸SiC為籽晶，設(shè)計(jì)了有利于SiC擴(kuò)徑生長(zhǎng)的裝置，解決了擴(kuò)徑生長(zhǎng)過(guò)程中籽晶邊緣多晶形核問(wèn)題；設(shè)計(jì)了新型生長(zhǎng)裝置，提高了原料輸運(yùn)效率；通過(guò)多次迭代，逐步擴(kuò)大SiC晶體的尺寸；通過(guò)改進(jìn)退火工藝，減小了晶體中的應(yīng)力從而抑制了晶體開(kāi)裂。2021年10月在自研的襯底上初步生長(zhǎng)出了8英寸SiC晶體。
圖二. 8英寸SiC晶片的Raman散射圖譜
近期，團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)工藝，進(jìn)一步解決了多型相變問(wèn)題，持續(xù)改善晶體結(jié)晶質(zhì)量，成功生長(zhǎng)出了單一4H晶型的8英寸SiC 晶體，晶坯厚度接近19.6 mm，加工出了厚度約2mm的8英寸SiC晶片(圖一)并對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。Raman散射圖譜和X射線搖擺曲線測(cè)試結(jié)果表明生長(zhǎng)的8英寸SiC為4H晶型，如圖二所示；(0004)面的半高寬平均值為46.8 arcsec，如圖三所示。相關(guān)工作已申請(qǐng)了三項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專利。
圖三. 8英寸4度偏角(4° off-axis)SiC晶片(0004)面的X射線搖擺曲線
8英寸SiC導(dǎo)電單晶研制成功是物理所在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域取得的又一個(gè)標(biāo)志性進(jìn)展，研發(fā)成果轉(zhuǎn)化后，將有助于增強(qiáng)我國(guó)在SiC單晶襯底的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)我國(guó)寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
