國內尚屬首次！浙江大學50mm厚6英寸碳化硅單晶生長獲得成功
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來源：吳瑤瑤 先進半導體研究院/孔曉睿 轉浙大杭州科創中心
近日，浙江大學杭州國際科創中心先進半導體研究院-乾晶半導體聯合實驗室和浙江大學硅材料國家重點實驗室在浙江省“尖兵計劃”等研發項目的資助下，成功生長出了厚度達到50 mm的6英寸碳化硅單晶（圖1），這在國內尚屬首次報道。該重要進展意味著，碳化硅襯底成本有望大幅降低，半導體碳化硅產業發展或將迎來發展新契機。
圖1 50 mm厚6英寸（150 mm）碳化硅單晶錠和襯底片#1
厚度翻一番！碳化硅單晶高成本有望降低
碳化硅（SiC）單晶作為寬禁帶半導體材料，對高壓、高頻、高溫及高功率等半導體器件的發展至關重要。當前，碳化硅單晶的高成本是制約各種碳化硅半導體器件大規模應用和發展的主要因素。為了降低碳化硅單晶的成本，擴大其直徑和增加其厚度是行之有效的途徑。目前，國內碳化硅單晶的直徑已經普遍能達到6英寸，但其厚度通常在~20-30 mm之間，導致一個碳化硅晶錠切片所獲得的碳化硅襯底片的數量相當有限。
那么如何才能增加厚度？難點又在哪里？科研人員表示，增加碳化硅單晶厚度的主要挑戰在于其生長時厚度的增加及源粉的消耗對生長室內部熱場的改變。針對挑戰，浙江大學杭州國際科創中心先進半導體研究院-乾晶半導體聯合實驗室和浙江大學硅材料國家重點實驗室通過設計碳化硅單晶生長設備的新型熱場、發展碳化硅源粉的新技術、開發碳化硅單晶生長的新工藝，顯著提升了碳化硅單晶的生長速率，成功生長出了厚度達到50 mm的6英寸碳化硅單晶。
該厚度的實現，一方面節約了昂貴的碳化硅籽晶的用量，另一方面使一個碳化硅單晶錠切片所獲得的碳化硅襯底片數量能夠翻倍，所以能夠大幅降低碳化硅襯底的成本，有望有力推動半導體碳化硅產業的發展。
厚度增加了，品質能得到保證嗎？科研人員通過對生長的碳化硅單晶錠切片所得的碳化硅襯底片（圖1）進行分析，發現其晶型為4H，典型的（0004）晶面的X射線衍射峰的半高寬均值為18.47弧秒，總位錯為5048/cm-2（圖2）。以上結果均表明碳化硅單晶的晶體質量達到了業界水平。
圖2 6英寸碳化硅襯底片的（0004）晶面的X射線衍射峰和位錯分析結果#2
合力攻關，破解難題
浙江省黨代會報告提出，推進創新鏈產業鏈深度融合，要加快構建現代科創體系和產業體系。如何發揮浙江大學杭州國際科創中心優勢資源，助力破解共性技術難題？浙江大學杭州國際科創中心一直在探索。
浙江大學杭州國際科創中心一直致力于推進產學研深度融合，加深與企業合作，鏈接全球創新資源，開展高水平高質量成果轉化，共建創新聯合體。目前，中心已與10余家企業共建創新聯合體，浙江大學杭州國際科創中心先進半導體研究院-乾晶半導體聯合實驗室就是其中之一。
本次成果由浙江大學杭州國際科創中心先進半導體研究院-乾晶半導體聯合實驗室和浙江大學硅材料國家重點實驗室共同完成，正是科技創新聯動產業創新的體現。面對產業高度關心的碳化硅單晶成本問題，研究團隊以碳化硅單晶厚度為關注點，充分整合浙江大學杭州國際科創中心先進半導體研究院和浙江大學硅材料國家重點實驗室優勢資源進行了合力攻關，并取得階段性成果，為半導體碳化硅技術的發展貢獻了力量。
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浙江大學杭州國際科創中心（簡稱科創中心）是新時代浙江大學和杭州市全面深化市校戰略合作共建的重大科技創新平臺。科創中心以打造世界一流水平，引領未來發展的全球頂尖科技創新中心為目標，面向國家重大戰略、區域發展重大需求和國際科學前沿，聚焦物質科學、信息科學、生命科學的會聚融通，打通前沿科學研究、顛覆性技術研發和成果產業化的全鏈條，是浙江省建設高水平創新型省份、打造科創高地的重大標志性工程。
浙江大學硅材料國家重點實驗室是國內最早建立的國家重點實驗室之一。以重點實驗室為依托的浙江大學材料物理與化學學科（原半導體材料學科）一直是全國重點學科，1978年獲批國內首批碩士點（半導體材料），1985年獲批了國內第一個半導體材料工學博士點。目前實驗室在半導體硅材料、先進半導體材料、半導體材料微結構與物理三個主要研究方向上開展工作。實驗室正在積極參與科創中心的建設，啟動了以碳化硅和氧化鎵等為代表的先進半導體材料研究。
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