國(guó)產(chǎn)6英寸碳化硅晶片誕生 打破國(guó)外壟斷

日前，中國(guó)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(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司(以下簡(jiǎn)稱天科合達(dá))合作，解決了6英寸擴(kuò)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(tuán)隊(duì)花了10多年時(shí)間，在國(guó)內(nèi)率先實(shí)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

研究人員告訴記者，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(cè)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(jìn)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(dòng)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。

記者了解到，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(chǎng)強(qiáng)大，熱導(dǎo)率高，飽和漂移速度高等諸多特點(diǎn)，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(bào)道稱，一片2英寸的氮化鎵晶片，可以生產(chǎn)出1萬(wàn)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(gè)平均售價(jià)在100美元左右的藍(lán)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(chǎng)效晶體管等器件的理想襯底材料。物理所先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室陳小龍研究組(功能晶體研究與應(yīng)用中心)長(zhǎng)期從事碳化硅單晶生長(zhǎng)研究工作。

大尺寸晶片的突圍

雖然用于氮化鎵生長(zhǎng)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(cuò)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(zhǎng)氮化鎵厚膜，然后通過(guò)剝離技術(shù)實(shí)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(cuò)密度要明顯低，但價(jià)格昂貴。

于是，陳小龍團(tuán)隊(duì)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(diǎn)，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(jià)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(shí)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(chǎng)上碳化硅晶片價(jià)格十分昂貴，一片2英寸碳化硅晶片的國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格曾高達(dá)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(jià)格的10%以上，“碳化硅晶片價(jià)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(shuō)。

為了降低器件成本，下游產(chǎn)業(yè)對(duì)碳化硅單晶襯底提出了大尺寸的要求。因而，采用先進(jìn)的碳化硅晶體生長(zhǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，降低碳化硅晶片生產(chǎn)成本，將促進(jìn)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，拓展市場(chǎng)需求。

天科合達(dá)成立于2006年，依托于陳小龍研究團(tuán)隊(duì)中在碳化硅領(lǐng)域的研究成果。自成立以來(lái)，天科合達(dá)研發(fā)出碳化硅晶體生長(zhǎng)爐和碳化硅晶體生長(zhǎng)、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(lái)，天科合達(dá)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(jìn)的碳化硅晶體生長(zhǎng)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(shí)產(chǎn)權(quán)的碳化硅晶片。

10年自主創(chuàng)新之路

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

2013年，陳小龍團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)行6英寸碳化硅晶體的研發(fā)工作，用了近一年的時(shí)間，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的國(guó)產(chǎn)6英寸碳化硅單晶襯底問(wèn)世。測(cè)試證明，國(guó)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(zhǎng)研發(fā)工作已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，可以為高性能碳化硅基電子器件的國(guó)產(chǎn)化提供材料基礎(chǔ)。

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

截至2014年3月，天科合達(dá)形成了一條年產(chǎn)7萬(wàn)片碳化硅晶片的生產(chǎn)線，促進(jìn)了我國(guó)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(jì)效益和社會(huì)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(jìn)雷達(dá)，以后還可能走進(jìn)家用市場(chǎng)，這意味著陳小龍團(tuán)隊(duì)的自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化之路還將延續(xù)。

美國(guó)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(jìn)武器。

碳化硅晶片的主要應(yīng)用領(lǐng)域有LED固體照明和高頻率器件,在高溫、高壓、高頻、大功率、光電、抗輻射、微波性等電子應(yīng)用領(lǐng)域和航天、軍工、核能等極端環(huán)境應(yīng)用有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。

碳化硅的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛