碳化硅是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料，以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化要求，在新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。然而，碳化硅襯底作為成本最高、技術(shù)壁壘最高的環(huán)節(jié)，其產(chǎn)能卻遠不足以匹配市場需求，碳化硅襯底的革新迫在眉睫。
浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心（簡稱科創(chuàng)中心）先進半導(dǎo)體研究院-杭州乾晶半導(dǎo)體聯(lián)合實驗室（簡稱聯(lián)合實驗室）近期經(jīng)過系列技術(shù)攻關(guān)，在大尺寸碳化硅（SiC）單晶生長及其襯底制備方面取得突破，成功生長出厚度達27毫米的8英寸n型碳化硅單晶錠，并加工獲得了8英寸碳化硅襯底片，成功躋身8英寸碳化硅俱樂部，該項技術(shù)突破有望顯著降低碳化硅功率器件的成本，助力半導(dǎo)體碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
8英寸碳化硅晶錠
8英寸碳化硅拋光襯底片
集智攻關(guān)破解技術(shù)難題
近年來，由于電動汽車、5G通訊、直流輸電等領(lǐng)域滲透率不斷增高，對碳化硅器件的需求也不斷增加。目前，全球碳化硅領(lǐng)域依舊以6英寸襯底為主，為增加產(chǎn)能供給、降低成本，擴大碳化硅襯底尺寸是重要途徑之一。
(a) 4H晶型100%(拉曼測試)；
(b) 電阻率分布圖；(c) 拋光襯底片的面型參數(shù)
想要擴大襯底尺寸，我們該怎么做？目前，制備大尺寸碳化硅單晶最為成熟的技術(shù)就是物理氣相傳輸（PVT）法，該方法的核心是設(shè)計和使用適宜的熱場。如何在核心技術(shù)上進行精準設(shè)計和調(diào)控？聯(lián)合實驗室團隊提出了自己的思考。針對PVT法，他們提出了多段式電阻加熱的策略，同時結(jié)合數(shù)值模擬研究設(shè)計和優(yōu)化8英寸碳化硅單晶生長的熱場與工藝手段開展研發(fā)工作。簡單來說，就是通過計算機模擬手段，依托人工智能等信息技術(shù)去模擬真實實驗場景，“窺探”溫度超兩千攝氏度的單晶生長爐里的“小秘密”，為碳化硅生長創(chuàng)造更好條件。
多段式電阻加熱的數(shù)值模擬研究
(B. Xu, et al., Journal of Crystal Growth, 2023, 614, 127238.)
此外，研發(fā)團隊也利用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不斷完善碳化硅生產(chǎn)“配方”，厘清徑向溫差、邊緣溫度梯度等熱場參數(shù)與晶體生長工藝參數(shù)的關(guān)系來確定晶體生長的最優(yōu)條件。
協(xié)同創(chuàng)新推進有組織科研
科創(chuàng)中心堅持充分發(fā)揮大兵團作戰(zhàn)優(yōu)勢，推進有組織科研，讓科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新雙向聯(lián)動、雙輪驅(qū)動。本次項目就是由杭州乾晶半導(dǎo)體有限公司、科創(chuàng)中心先進半導(dǎo)體研究院和浙江大學(xué)硅及先進半導(dǎo)體材料全國重點實驗室合作開展，各方充分發(fā)揮各自優(yōu)勢、協(xié)同創(chuàng)新、合力攻關(guān)， 是打通“前沿研究-技術(shù)攻關(guān)-成果轉(zhuǎn)化”全鏈條創(chuàng)新生態(tài)的生動實踐。此外，本次項目成果也得到了浙江省2023年“尖兵”研發(fā)攻關(guān)計劃項目資助。
科創(chuàng)中心先進半導(dǎo)體研究院緊緊圍繞國家重大戰(zhàn)略需求和浙江省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局開展研究工作。近年來，科研團隊立足自主研發(fā)，從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究，突破了生長設(shè)備、高質(zhì)量碳化硅晶體生長和加工等關(guān)鍵技術(shù)，成功制備50 mm厚6英寸碳化硅單晶，研制出高質(zhì)量的碳化硅晶圓、氧化鎵晶圓等成果。
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杭州乾晶半導(dǎo)體有限公司專注于半導(dǎo)體碳化硅材料，是一家集碳化硅單晶生長、襯底加工和設(shè)備開發(fā)為一體的高新技術(shù)企業(yè)，其發(fā)展愿景是成為國際知名的半導(dǎo)體材料品牌和標(biāo)桿企業(yè)。
硅及先進半導(dǎo)體材料全國重點實驗室在半導(dǎo)體硅材料的基礎(chǔ)研究、技術(shù)開發(fā)和成果轉(zhuǎn)化方面取得了一系列的成果，目前正在積極推進以寬禁帶半導(dǎo)體材料為代表的先進半導(dǎo)體材料研究，力爭掌握相關(guān)核心技術(shù)，支撐我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
本文來源：浙大杭州科創(chuàng)中心、先進半導(dǎo)體研究院
