不久前，中國科學(xué)院物理研究所研究員陳小龍研究組與北京天科合達藍光半導(dǎo)體有限公司(以下簡稱天科合達)合作，解決了6英寸擴徑技術(shù)和晶片加工技術(shù)，成功研制出了6英寸碳化硅單晶襯底。

 

從2英寸、3英寸、4英寸到如今的6英寸碳化硅單晶襯底，陳小龍團隊花了10多年時間，在國內(nèi)率先實現(xiàn)了碳化硅單晶襯底自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

第三代半導(dǎo)體材料

研究人員表示，上世紀(jì)五六十年代，硅和鍺構(gòu)成了第一代半導(dǎo)體材料，主要應(yīng)用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中。相比于鍺半導(dǎo)體器件，硅材料制造的半導(dǎo)體器件耐高溫和抗輻射性能較好。

到了上世紀(jì)60年代后期，95%以上的半導(dǎo)體、99%的集成電路都是用硅半導(dǎo)體材料制造的。直到現(xiàn)在，我們使用的半導(dǎo)體產(chǎn)品大多是基于硅材料的。

進入上世紀(jì)90年代后，砷化鎵、磷化銦代表了第二代半導(dǎo)體材料，可用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件。因信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，第二代半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信和GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。

與前兩代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料或高溫半導(dǎo)體材料。其中，碳化硅和氮化鎵在第三代半導(dǎo)體材料中是發(fā)展成熟的代表。

據(jù)了解到，碳化硅單晶是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大，臨界擊穿場強大，熱導(dǎo)率高，飽和漂移速度高等諸多特點，被廣泛應(yīng)用于制作高溫、高頻及大功率電子器件。

關(guān)于氮化鎵，曾有報道稱，一片2英寸的氮化鎵晶片，可以生產(chǎn)出1萬盞亮度為節(jié)能燈10倍、發(fā)光效率為節(jié)能燈3～4倍、壽命為節(jié)能燈10倍的高亮度LED照明燈；也可以制造出5000個平均售價在100美元左右的藍光激光器；還可以被應(yīng)用在電力電子器件上，使系統(tǒng)能耗降低30%以上。

由于碳化硅和氮化鎵的晶格失配小，碳化硅單晶是氮化鎵基LED、肖特基二極管、金氧半場效晶體管等器件的理想襯底材料。物理所先進材料與結(jié)構(gòu)分析實驗室陳小龍研究組(功能晶體研究與應(yīng)用中心)長期從事碳化硅單晶生長研究工作。

大尺寸晶片的突圍

雖然用于氮化鎵生長最理想的襯底是氮化鎵單晶材料，該材料不僅可以大大提高外延膜的晶體質(zhì)量，降低位錯密度，還能提高器件工作壽命、工作電流密度和發(fā)光效率。但是，制備氮化鎵體單晶材料非常困難，到目前為止尚未有行之有效的辦法。

為此，科研人員在其他襯底(如碳化硅)上生長氮化鎵厚膜，然后通過剝離技術(shù)實現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。盡管以氮化鎵厚膜為襯底的外延，相比在碳化硅材料上外延的氮化鎵薄膜，位元錯密度要明顯低，但價格昂貴。

于是，陳小龍團隊選擇了碳化硅單晶襯底研究。他指出，碳化硅單晶襯底有許多突出的優(yōu)點，如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光等，但也有不足，如價格太高。

碳化硅又稱金鋼砂或耐火砂。碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產(chǎn)綠色碳化硅時需要加食鹽)等原料在電阻爐內(nèi)經(jīng)高溫冶煉而成。碳化硅單晶系第三代高溫寬帶隙半導(dǎo)體材料。

早年，全球市場上碳化硅晶片價格十分昂貴，一片2英寸碳化硅晶片的國際市場價格曾高達500美元(2006年)，但仍供不應(yīng)求。高昂的原材料成本占碳化硅半導(dǎo)體器件價格的10%以上，“碳化硅晶片價格已成為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。”陳小龍說。

為了降低器件成本，下游產(chǎn)業(yè)對碳化硅單晶襯底提出了大尺寸的要求。因而，采用先進的碳化硅晶體生長技術(shù)，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，降低碳化硅晶片生產(chǎn)成本，將促進第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，拓展市場需求。

天科合達成立于2006年，依托于陳小龍研究團隊中在碳化硅領(lǐng)域的研究成果。自成立以來，天科合達研發(fā)出碳化硅晶體生長爐和碳化硅晶體生長、加工技術(shù)及專業(yè)設(shè)備，建立了完整的碳化硅晶片生產(chǎn)線。

這些年來，天科合達致力于提高碳化硅晶體的質(zhì)量，以及大尺寸碳化硅晶體的研發(fā)，將先進的碳化硅晶體生長和加工技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，大規(guī)模生產(chǎn)和銷售具有自主知識產(chǎn)權(quán)的碳化硅晶片。

10年自主創(chuàng)新之路

美國科銳公司作為碳化硅襯底提供商，曾長期壟斷國際市場。2011年，科銳公司發(fā)布了6英寸碳化硅晶體，同年，天科合達才開始量產(chǎn)4英寸碳化硅晶體。

美國在碳化硅晶片技術(shù)上遙遙領(lǐng)先，廣泛應(yīng)用于F-22等先進武器

2013年，陳小龍團隊開始進行6英寸碳化硅晶體的研發(fā)工作，用了近一年的時間，團隊研發(fā)的國產(chǎn)6英寸碳化硅單晶襯底問世。測試證明，國產(chǎn)6英寸碳化硅晶體的結(jié)晶質(zhì)量很好，該成果標(biāo)志著物理所碳化硅單晶生長研發(fā)工作已達到國際先進水平，可以為高性能碳化硅基電子器件的國產(chǎn)化提供材料基礎(chǔ)。

“雖然起步有點晚，但通過10多年的自主研發(fā)，我們與國外的技術(shù)差距在逐步縮小。”陳小龍說。作為國內(nèi)碳化硅晶片生產(chǎn)制造的先行者，天科合達打破了國外壟斷，填補了國內(nèi)空白，生產(chǎn)的碳化硅晶片不僅技術(shù)成熟，還低于國際同類產(chǎn)品價格。

截至2014年3月，天科合達形成了一條年產(chǎn)7萬片碳化硅晶片的生產(chǎn)線，促進了我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

陳小龍指出，當(dāng)前碳化硅主要應(yīng)用于三大領(lǐng)域：高亮度LED、電力電子以及先進雷達，以后還可能走進家用市場，這意味著陳小龍團隊的自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化之路還將延續(xù)。