碳化硅(SiC)是一种宽禁带的化合物半导体，具有击穿场强高(约为Si的10倍)、饱和电子漂移率高(约为Si的2倍)、热导率高(Si的3倍、GaAs的10倍)等优异性能。与同类硅基器件相比，SiC器件具有耐高温、耐高压、高频特性好、转换效率高、尺寸小、重量轻等优点，在电动汽车、轨道交通、高压输变电、光伏、5G通信等领域具有重要的应用潜力。高质量、低成本、大尺寸的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年以来，中国科学院物理研究所先进材料与结构分析重点实验室/北京凝聚态物理国家研究中心陈小龙研究团队基于自主创新，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和缺陷的形成机理，提出了缺陷、电阻率控制和扩径方法。形成了从生长设备到高质量SiC晶体生长加工的一系列关键技术，SiC晶体直径从小于10mm (2000年)持续增大到2英寸(2005年)。2006年，该团队在国内率先实现了SiC单晶的产业化，在北京田可何达半导体有限公司成功转化了研究成果，通过产学研结合成功研制出4英寸(2010)和6英寸(2014)SiC单晶。目前，北京田可何达已实现4-6英寸SiC衬底的量产和销售，成为国际SiC导电片的主要供应商之一。图一。8英寸碳化硅晶体和晶片照片。SiC器件的成本主要由衬底、外延、晶圆流和封装等环节构成，衬底在SiC器件成本中的占比高达~45%。为了降低单个器件的成本，进一步扩大SiC衬底的尺寸，增加单个衬底上的器件数量是降低成本的主要途径。8英寸SiC衬底在降低成本方面将比6英寸SiC衬底有明显的优势。有报道称国际上8英寸SiC单晶衬底已经研制成功，但至今没有产品投放市场。8英寸SiC晶体生长的难点在于:首先要发展8英寸的籽晶；其次，要解决大尺寸带来的温度场和气相原料分布不均匀和输送效率的问题。此外，还应解决应力增加导致晶体开裂的问题。在现有研究的基础上，2017年，杨乃吉研究员、陈小龙博士生、李辉副研究员、王文君总工程师开始了8英寸SiC晶体的研究。通过不断研究，他们掌握了8英寸生长的室温场分布和高温气相输运的特点。他们以6英寸SiC为籽晶，设计了有利于SiC扩径生长的装置，解决了扩径生长时籽晶边缘的多晶核问题。设计了一种新的生长装置，提高了原料的运输效率。通过多次迭代逐渐扩大SiC晶体的尺寸；通过改进退火工艺，降低了晶体中的应力，抑制了晶体开裂。2021年10月，在自研衬底上初步生长出8英寸SiC晶体。图二。8英寸SiC晶片的拉曼散射光谱最近，团队通过优化生长工艺，进一步解决了多型相变问题，不断提高晶体质量，成功生长出8英寸SiC晶体的单个4小时晶型，晶坯厚度接近19.6 mm，加工出厚度约2mm的8英寸SiC晶片(图1)并进行测试。拉曼散射光谱和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2所示；(0004)面的平均半高宽为46.8弧秒，如图3所示。相关工作已申请三项中国发明专利。8英寸SiC导电单晶的研制成功，是我所在宽带隙半导体领域取得的又一标志性进展。研发成果转化后，将有助于提升我国在SiC单晶衬底方面的国际竞争力，促进我国宽带隙半导体产业的快速发展。上述工作得到了科技部、新疆生产建设兵团、国家自然科学基金委员会、北京市科委、工信部、中科院等部门的大力支持。图3。8英寸4度离轴SiC晶片(0004)面的x射线摇摆曲线编辑:荔枝果冻
