高質(zhì)量、低成本、大尺寸SiC單晶襯底是制備SiC器件的基礎(chǔ)，掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SiC晶體生長和加工技術(shù)一直是相關(guān)領(lǐng)域研究的重點。

自1999年，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心先進材料與結(jié)構(gòu)分析重點實驗室陳小龍研究團隊立足自主創(chuàng)新，利用自主研發(fā)的生長設(shè)備，系統(tǒng)研究了SiC晶體生長的熱力學(xué)和生長動力學(xué)基本規(guī)律，認識了晶體生長過程中相變、缺陷等的形成機制，提出了缺陷、電阻率控制和擴徑方法，形成了系列從生長設(shè)備到高質(zhì)量SiC晶體生長和加工等關(guān)鍵技術(shù)，將SiC晶體直徑從小于10毫米(2000年)不斷增大到2英寸(2005年)。

2006年，該團隊在國內(nèi)率先開展了SiC單晶的產(chǎn)業(yè)化，成功將研究成果在北京天科合達半導(dǎo)體股份有限公司轉(zhuǎn)化，通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，先后成功研制出了4英寸(2010年)和6英寸(2014)SiC單晶。目前，北京天科合達實現(xiàn)了4-6英寸SiC襯底的大批量生產(chǎn)和銷售，成為國際SiC導(dǎo)電晶圓的主要供應(yīng)商之一。

圖一. 8英寸SiC晶體和晶片照片

SiC器件的成本主要由襯底、外延、流片和封測等環(huán)節(jié)形成，襯底在SiC器件成本中占比高達~45%。為了降低單個器件的成本，進一步擴大SiC襯底尺寸，在單個襯底上增加器件的數(shù)量是降低成本的主要途徑。8英寸SiC襯底將比6英寸在成本降低上具有明顯優(yōu)勢。國際上8英寸SiC單晶襯底研制成功已有報道，但迄今尚未有產(chǎn)品投放市場。

8英寸SiC晶體生長的難點在于：首先要研制出8英寸籽晶；其次要解決大尺寸帶來的溫場不均勻和氣相原料分布和輸運效率問題；另外，還要解決應(yīng)力加大導(dǎo)致晶體開裂問題。

在已有的研究基礎(chǔ)上，2017年，陳小龍研究員、博士生楊乃吉、李輝副研究員、王文軍主任工程師等開始8英寸SiC晶體的研究，通過持續(xù)攻關(guān)，掌握了8英寸生長室溫場分布和高溫氣相輸運特點，以6英寸SiC為籽晶，設(shè)計了有利于SiC擴徑生長的裝置，解決了擴徑生長過程中籽晶邊緣多晶形核問題；設(shè)計了新型生長裝置，提高了原料輸運效率；通過多次迭代，逐步擴大SiC晶體的尺寸；通過改進退火工藝，減小了晶體中的應(yīng)力從而抑制了晶體開裂。2021年10月在自研的襯底上初步生長出了8英寸SiC晶體。

圖二. 8英寸SiC晶片的Raman散射圖譜

近期，團隊通過優(yōu)化生長工藝，進一步解決了多型相變問題，持續(xù)改善晶體結(jié)晶質(zhì)量，成功生長出了單一4H晶型的8英寸SiC 晶體，晶坯厚度接近19.6 mm，加工出了厚度約2mm的8英寸SiC晶片(圖一)并對其進行了相關(guān)測試。Raman散射圖譜和X射線搖擺曲線測試結(jié)果表明生長的8英寸SiC為4H晶型，如圖二所示；(0004)面的半高寬平均值為46.8 arcsec，如圖三所示。相關(guān)工作已申請了三項中國發(fā)明專利。

圖三. 8英寸4度偏角(4° off-axis)SiC晶片(0004)面的X射線搖擺曲線

8英寸SiC導(dǎo)電單晶研制成功是物理所在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域取得的又一個標志性進展，研發(fā)成果轉(zhuǎn)化后，將有助于增強我國在SiC單晶襯底的國際競爭力，促進我國寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

以上工作得到了科技部、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團、國家自然科學(xué)基金委、北京市科委、工信部、中國科學(xué)院等部門的大力支持。