圖1  50 mm厚6英寸（150 mm）碳化硅單晶錠和襯底片

 

近日，浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心先進(jìn)半導(dǎo)體研究院-乾晶半導(dǎo)體聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室和浙江大學(xué)硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在浙江省“尖兵計(jì)劃”等研發(fā)項(xiàng)目的資助下，成功生長出了厚度達(dá)到50 mm的6英寸碳化硅單晶（圖1），這在國內(nèi)尚屬首次報(bào)道。該重要進(jìn)展意味著，碳化硅襯底成本有望大幅降低，半導(dǎo)體碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展或?qū)⒂瓉戆l(fā)展新契機(jī)。

 

碳化硅（SiC）單晶作為寬禁帶半導(dǎo)體材料，對(duì)高壓、高頻、高溫及高功率等半導(dǎo)體器件的發(fā)展至關(guān)重要。當(dāng)前，碳化硅單晶的高成本是制約各種碳化硅半導(dǎo)體器件大規(guī)模應(yīng)用和發(fā)展的主要因素。為了降低碳化硅單晶的成本，擴(kuò)大其直徑和增加其厚度是行之有效的途徑。  

 

目前，國內(nèi)碳化硅單晶的直徑已經(jīng)普遍能達(dá)到6英寸，但其厚度通常在~20-30 mm之間，導(dǎo)致一個(gè)碳化硅晶錠切片所獲得的碳化硅襯底片的數(shù)量相當(dāng)有限。

 

那么如何才能增加厚度？難點(diǎn)又在哪里？科研人員表示，增加碳化硅單晶厚度的主要挑戰(zhàn)在于其生長時(shí)厚度的增加及源粉的消耗對(duì)生長室內(nèi)部熱場(chǎng)的改變。針對(duì)挑戰(zhàn)，浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心先進(jìn)半導(dǎo)體研究院-乾晶半導(dǎo)體聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室和浙江大學(xué)硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過設(shè)計(jì)碳化硅單晶生長設(shè)備的新型熱場(chǎng)、發(fā)展碳化硅源粉的新技術(shù)、開發(fā)碳化硅單晶生長的新工藝，顯著提升了碳化硅單晶的生長速率，成功生長出了厚度達(dá)到50 mm的6英寸碳化硅單晶。

 

該厚度的實(shí)現(xiàn)，一方面節(jié)約了昂貴的碳化硅籽晶的用量，另一方面使一個(gè)碳化硅單晶錠切片所獲得的碳化硅襯底片數(shù)量能夠翻倍，所以能夠大幅降低碳化硅襯底的成本，有望有力推動(dòng)半導(dǎo)體碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

 

厚度增加了，品質(zhì)能得到保證嗎？科研人員通過對(duì)生長的碳化硅單晶錠切片所得的碳化硅襯底片（圖1）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其晶型為4H，典型的（0004）晶面的X射線衍射峰的半高寬均值為18.47弧秒，總位錯(cuò)為5048/cm-2（圖2）。以上結(jié)果均表明碳化硅單晶的晶體質(zhì)量達(dá)到了業(yè)界水平。

 

浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心一直致力于推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研深度融合，加深與企業(yè)合作，鏈接全球創(chuàng)新資源，開展高水平高質(zhì)量成果轉(zhuǎn)化，共建創(chuàng)新聯(lián)合體。目前，中心已與10余家企業(yè)共建創(chuàng)新聯(lián)合體，浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心先進(jìn)半導(dǎo)體研究院-乾晶半導(dǎo)體聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室就是其中之一。

 

本次成果由浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心先進(jìn)半導(dǎo)體研究院-乾晶半導(dǎo)體聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室和浙江大學(xué)硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室共同完成，正是科技創(chuàng)新聯(lián)動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的體現(xiàn)。面對(duì)產(chǎn)業(yè)高度關(guān)心的碳化硅單晶成本問題，研究團(tuán)隊(duì)以碳化硅單晶厚度為關(guān)注點(diǎn)，充分整合浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心先進(jìn)半導(dǎo)體研究院和浙江大學(xué)硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)勢(shì)資源進(jìn)行了合力攻關(guān)，并取得階段性成果，為半導(dǎo)體碳化硅技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)了力量。

 

(來源：浙大杭州科創(chuàng)中心)