碳化硅(SiC)作為第三代半導(dǎo)體材料, 具有高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率、高熱導(dǎo)率、強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良特性，在電動汽車、軌道交通、高壓輸變電、光伏、5G 通訊等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價值。在新能源產(chǎn)業(yè)強(qiáng)勁需求下，全球 SiC 產(chǎn)業(yè)步入高速成長期，推升了對 SiC 襯底產(chǎn)能的需求。目前商用 SiC 襯底尺寸仍以 6 英寸為主，擴(kuò)大 SiC 襯底尺寸是增加產(chǎn)能供給、降低成本的重要途徑之一。
近年來 SiC 襯底廠商加速推進(jìn) 8 英寸襯底的研發(fā)和量產(chǎn)進(jìn)度，以搶占 8 英寸先機(jī)。行業(yè)龍頭美國Wolfspeed 最早在 2015 年展示了 8 英寸 SiC 樣品，2022 年 4 月，Wolfspeed 啟動了全球首家 8 英寸 SiC晶圓廠。雖然起步時間相對于國外較晚，國內(nèi) 8 英寸 SiC 襯底研究近年來取得了顯著進(jìn)展，2022 年多家單位公布 8 英寸導(dǎo)電型 4H-SiC 產(chǎn)品開發(fā)成功，包括山東大學(xué)、廣州南砂晶圓、中科院物理研究所、山東天岳先進(jìn)、山西爍科晶體、北京天科合達(dá)等單位。
8 英寸與 6 英寸 SiC 晶圓的制造工藝有很大差別，當(dāng)尺寸擴(kuò)展到 8 英寸之后，熱應(yīng)力增大，缺陷控制更加困難，尤其是位錯缺陷的控制與 6 英寸相比還有一定差距。
目前商用 6 英寸導(dǎo)電型 4H-SiC襯底的 TSD 密度控制在 200 cm-2 以下，優(yōu)值小于 50cm-2，BPD 密度在 800 cm-2 以下，優(yōu)值小于 500 cm-2。8 英寸 SiC 襯底要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，提升市場份額，需要進(jìn)一步降低位錯缺陷密度，達(dá)到 6 英寸 SiC 襯底的位錯缺陷水平，尤其是對器件性能影響較大的TSD 和 BPD。
近期，山東大學(xué)與南砂晶圓半導(dǎo)體技術(shù)有限公司在8英寸SiC襯底位錯缺陷控制方面取得了重大突破，使用物理氣相傳輸法實(shí)現(xiàn)了近“零螺位錯（TSD）”密度和低基平面位錯（BPD）密度的8英寸導(dǎo)電型4H-SiC單晶襯底制備，其中螺位錯密度為0.55 cm-2，基平面位錯密度為202 cm-2。
8英寸導(dǎo)電型4H-SiC襯底
8英寸導(dǎo)電型4H-SiC單晶襯底的螺位錯和基平面位錯密度及其分布
為制備的 8 英寸導(dǎo)電型 4H-SiC 單晶襯底，使用熔融 KOH 對襯底進(jìn)行選擇性蝕刻，統(tǒng)計 BPD 和TSD 對應(yīng)的特征腐蝕坑數(shù)量，計算 BPD 和 TSD 密度。為襯底的 BPD 密度分布圖，平均 BPD密度為 202 cm-2。上圖給出了 TSD 密度分布圖，平均 TSD 密度<1 cm-2。為不同尺寸 TSD 腐蝕坑對應(yīng)的數(shù)量，其中 TSD 數(shù)量總計 42 個，測試點(diǎn)數(shù) 1564 個，每個點(diǎn)對應(yīng)面積 0.0489 cm2，因此TSD 密度=42/(1564×0.0489cm2)=0.55 cm-2。
研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了近“零 TSD”和低 BPD 密度的 8 英寸導(dǎo)電型 4H-SiC 單晶襯底制備，8 英寸 SiC 單晶襯底位錯缺陷的有效控制，有助于加快國產(chǎn) 8 英寸導(dǎo)電型4H-SiC 襯底的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，提升市場競爭力。
作者：(熊希希，楊祥龍，陳秀芳，李曉蒙 ，謝雪健 ，胡國杰 ，彭燕 ，胡小波 ，徐現(xiàn)剛 )山東大學(xué) 晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新一代半導(dǎo)體材料研究院；（于國建，王垚浩 ）廣州南砂晶圓半導(dǎo)體技術(shù)有限公司
—— 作 者 簡 介 ——
團(tuán)隊(duì)帶頭人：
徐現(xiàn)剛
山東大學(xué)新一代半導(dǎo)體材料研究院主任
徐現(xiàn)剛，教授，凝聚態(tài)物理、半導(dǎo)體材料學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，教育部長江計劃特聘教授，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，泰山學(xué)者特聘專家，科技部973國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研發(fā)計劃首席科學(xué)家，核心基礎(chǔ)元器件重大專項(xiàng)負(fù)責(zé)人。國家863計劃半導(dǎo)體照明工程重大項(xiàng)目總體專家組專家，享受國務(wù)院政府特殊津貼專家，獲得山東省科技進(jìn)步一等獎，國防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎，山東省技術(shù)發(fā)明一等獎，以及第十屆“山東省優(yōu)秀科技工作者”榮譽(yù)稱號。
現(xiàn)任山東大學(xué)新一代半導(dǎo)體材料研究院主任。國務(wù)院學(xué)位委員會委員、中國晶體學(xué)會理事、弱光非線性光子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會委員、中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會光電器件分會特聘專家、中國青年科技工作者協(xié)會會員。在國內(nèi)外發(fā)表論文400余篇，被引4000余次。國家授權(quán)發(fā)明專利100余項(xiàng)。
通訊作者：
陳秀芳
山東大學(xué)教授
陳秀芳，山東大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事寬帶隙碳化硅等半導(dǎo)體材料研究，取得一系列重要應(yīng)用型科研成果，先后主持承擔(dān)了國家科技重大專項(xiàng)、973計劃、預(yù)研項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、山東省自主創(chuàng)新重大專項(xiàng)等20余項(xiàng)國家及省部級項(xiàng)目。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文50余篇，申請和獲得授權(quán)發(fā)明專利30余項(xiàng)。獲得“教育部長江計劃特崗教授”榮譽(yù)稱號，“山東省技術(shù)發(fā)明一等獎”、“國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金”、“山東省自然科學(xué)杰出青年基金”等。
通訊作者：
楊祥龍
山東大學(xué)副教授
楊祥龍，山東大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師。長期從事寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅晶體生長和缺陷分析研究，主持承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金、省重點(diǎn)研發(fā)計劃、省自然科學(xué)基金等多項(xiàng)科研項(xiàng)目。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文30余篇，申請和獲得授權(quán)發(fā)明專利20余件。
廣州南砂晶圓半導(dǎo)體技術(shù)有限公司簡介：
廣州南砂晶圓半導(dǎo)體技術(shù)有限公司成立于廣州市南沙自貿(mào)區(qū)，是聚焦碳化硅單晶材料的高新技術(shù)企業(yè)。早年在蔣民華院士的指導(dǎo)下，長江學(xué)者徐現(xiàn)剛特聘教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年研發(fā)，成功突破了碳化硅單晶生長及襯底制備技術(shù)，為碳化硅襯底的國產(chǎn)商業(yè)化奠定了良好基礎(chǔ)。項(xiàng)目規(guī)劃總投資9億元，預(yù)計實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)碳化硅襯底晶片20萬片。
公司在規(guī)劃自有廠房的同時，已經(jīng)在南沙珠江工業(yè)園建設(shè)約 3000平方米廠房，先后投入1億元購置晶體生長爐和相關(guān)襯底加工設(shè)備，力爭以最快速度實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。產(chǎn)品以4英寸、6英寸導(dǎo)電和半絕緣SiC襯底為主，以后將視市場需求不斷豐富產(chǎn)品線。第三代半導(dǎo)體材料作為新基建的戰(zhàn)略性材料，公司將立足粵港澳大灣區(qū)，力爭發(fā)展成為全國乃至全球馳名的碳化硅半導(dǎo)體公司。
信息來源：山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 供稿
