中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
A02組供稿
第30期
2022年04月25日
8英寸碳化硅單晶研究取得進展

  碳化硅(SiC)是一種寬帶隙化合物半導體,具有高擊穿場強(約為Si的10倍)、高飽和電子漂移速率(約為Si的2倍)、高熱導率(Si的3倍、GaAs的10倍)等優異性能。相比同類硅基器件,SiC器件具有耐高溫、耐高壓、高頻特性好、轉化效率高、體積小和重量輕等優點,在電動汽車、軌道交通、高壓輸變電、光伏、5G通訊等領域具有重要的應用潛力。高質量、低成本、大尺寸SiC單晶襯底是制備SiC器件的基礎,掌握具有自主知識產權的SiC晶體生長和加工技術一直是相關領域研究的重點。

  自1999年,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心先進材料與結構分析重點實驗室陳小龍研究團隊立足自主創新,利用自主研發的生長設備,系統研究了SiC晶體生長的熱力學和生長動力學基本規律,認識了晶體生長過程中相變、缺陷等的形成機制,提出了缺陷、電阻率控制和擴徑方法,形成了系列從生長設備到高質量SiC晶體生長和加工等關鍵技術,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,該團隊在國內率先開展了SiC單晶的產業化,成功將研究成果在北京天科合達半導體股份有限公司轉化,通過產學研結合,先后成功研制出了4英寸(2010年)和6英寸(2014)SiC單晶。目前,北京天科合達實現了4-6英寸SiC襯底的大批量生產和銷售,成為國際SiC導電晶圓的主要供應商之一。

  SiC器件的成本主要由襯底、外延、流片和封測等環節形成,襯底在SiC器件成本中占比高達~45%。為了降低單個器件的成本,進一步擴大SiC襯底尺寸,在單個襯底上增加器件的數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勢。國際上8英寸SiC單晶襯底研制成功已有報道,但迄今尚未有產品投放市場。

  8英寸SiC晶體生長的難點在于:首先要研制出8英寸籽晶;其次要解決大尺寸帶來的溫場不均勻和氣相原料分布和輸運效率問題;另外,還要解決應力加大導致晶體開裂問題。在已有的研究基礎上,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始8英寸SiC晶體的研究,通過持續攻關,掌握了8英寸生長室溫場分布和高溫氣相輸運特點,以6英寸SiC為籽晶,設計了有利于SiC擴徑生長的裝置,解決了擴徑生長過程中籽晶邊緣多晶形核問題;設計了新型生長裝置,提高了原料輸運效率;通過多次迭代,逐步擴大SiC晶體的尺寸;通過改進退火工藝,減小了晶體中的應力從而抑制了晶體開裂。2021年10月在自研的襯底上初步生長出了8英寸SiC晶體。

  近期,團隊通過優化生長工藝,進一步解決了多型相變問題,持續改善晶體結晶質量,成功生長出了單一4H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)并對其進行了相關測試。Raman散射圖譜和X射線搖擺曲線測試結果表明生長的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。相關工作已申請了三項中國發明專利。

  8英寸SiC導電單晶研制成功是物理所在寬禁帶半導體領域取得的又一個標志性進展,研發成果轉化后,將有助于增強我國在SiC單晶襯底的國際競爭力,促進我國寬禁帶半導體產業的快速發展。

  以上工作得到了科技部、新疆生產建設兵團、國家自然科學基金委、北京市科委、工信部、中國科學院等部門的大力支持。


圖一. 8英寸SiC晶體和晶片照片


圖二. 8英寸SiC晶片的Raman散射圖譜


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