碳化硅(SiC)作為第三代半導體材料, 具有高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、高熱導率、強化學穩(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 通訊等領域具有重大應用價值。在新能源產業(yè)強勁需求下，全球 SiC 產業(yè)步入高速成長期，推升了對 SiC 襯底產能的需求。目前商用 SiC 襯底尺寸仍以 6 英寸為主，擴大 SiC 襯底尺寸是增加產能供給、降低成本的重要途徑之一。
近年來 SiC 襯底廠商加速推進 8 英寸襯底的研發(fā)和量產進度，以搶占 8 英寸先機。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 8 英寸 SiC 襯底研究近年來取得了顯著進展，2022 年多家單位公布 8 英寸導電型 4H-SiC 產品開發(fā)成功，包括山東大學、廣州南砂晶圓、中科院物理研究所、山東天岳先進、山西爍科晶體、北京天科合達等單位。
8 英寸與 6 英寸 SiC 晶圓的制造工藝有很大差別，當尺寸擴展到 8 英寸之后，熱應力增大，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 襯底要實現量產，提升市場份額，需要進一步降低位錯缺陷密度，達到 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，山東大學與南砂晶圓半導體技術有限公司在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現了近“零螺位錯（TSD）”密度和低基平面位錯（BPD）密度的8英寸導電型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英寸導電型4H-SiC襯底
8英寸導電型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 英寸導電型 4H-SiC 單晶襯底，使用熔融 KOH 對襯底進行選擇性蝕刻，統(tǒng)計 BPD 和TSD 對應的特征腐蝕坑數量，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 腐蝕坑對應的數量，其中 TSD 數量總計 42 個，測試點數 1564 個，每個點對應面積 0.0489 cm2，因此TSD 密度=42/(1564×0.0489cm2)=0.55 cm-2。
研究團隊實現了近“零 TSD”和低 BPD 密度的 8 英寸導電型 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 8 英寸導電型4H-SiC 襯底的產業(yè)化進程，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 ，徐現剛 )山東大學 晶體材料國家重點實驗室，新一代半導體材料研究院；（于國建，王垚浩 ）廣州南砂晶圓半導體技術有限公司
—— 作 者 簡 介 ——
團隊帶頭人：
徐現剛
山東大學新一代半導體材料研究院主任
徐現剛，教授，凝聚態(tài)物理、半導體材料學教授，博士生導師，教育部長江計劃特聘教授，國家杰出青年科學基金獲得者，泰山學者特聘專家，科技部973國家重點基礎研發(fā)計劃首席科學家，核心基礎元器件重大專項負責人。國家863計劃半導體照明工程重大項目總體專家組專家，享受國務院政府特殊津貼專家，獲得山東省科技進步一等獎，國防科學技術進步一等獎，山東省技術發(fā)明一等獎，以及第十屆“山東省優(yōu)秀科技工作者”榮譽稱號。
現任山東大學新一代半導體材料研究院主任。國務院學位委員會委員、中國晶體學會理事、弱光非線性光子學教育部重點實驗室學術委員會委員、中國光學光電子行業(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。在國內外發(fā)表論文400余篇，被引4000余次。國家授權發(fā)明專利100余項。
通訊作者：
陳秀芳
山東大學教授
陳秀芳，山東大學教授，博士生導師，主要從事寬帶隙碳化硅等半導體材料研究，取得一系列重要應用型科研成果，先后主持承擔了國家科技重大專項、973計劃、預研項目、國家重點研發(fā)計劃、山東省自主創(chuàng)新重大專項等20余項國家及省部級項目。在國內外學術刊物上發(fā)表論文50余篇，申請和獲得授權發(fā)明專利30余項。獲得“教育部長江計劃特崗教授”榮譽稱號，“山東省技術發(fā)明一等獎”、“國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金”、“山東省自然科學杰出青年基金”等。
通訊作者：
楊祥龍
山東大學副教授
楊祥龍，山東大學副教授，博士生導師。長期從事寬禁帶半導體碳化硅晶體生長和缺陷分析研究，主持承擔了國家自然科學基金、省重點研發(fā)計劃、省自然科學基金等多項科研項目。在國內外學術刊物上發(fā)表論文30余篇，申請和獲得授權發(fā)明專利20余件。
廣州南砂晶圓半導體技術有限公司簡介：
廣州南砂晶圓半導體技術有限公司成立于廣州市南沙自貿區(qū)，是聚焦碳化硅單晶材料的高新技術企業(yè)。早年在蔣民華院士的指導下，長江學者徐現剛特聘教授帶領團隊歷經多年研發(fā)，成功突破了碳化硅單晶生長及襯底制備技術，為碳化硅襯底的國產商業(yè)化奠定了良好基礎。項目規(guī)劃總投資9億元，預計實現年產碳化硅襯底晶片20萬片。
公司在規(guī)劃自有廠房的同時，已經在南沙珠江工業(yè)園建設約 3000平方米廠房，先后投入1億元購置晶體生長爐和相關襯底加工設備，力爭以最快速度實現產業(yè)化。產品以4英寸、6英寸導電和半絕緣SiC襯底為主，以后將視市場需求不斷豐富產品線。第三代半導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體公司。
信息來源：山東大學晶體材料國家重點實驗室 供稿
