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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。據(jù)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》12日?qǐng)?bào)道，不久前，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。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。 碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料，可用于制作新一代高效節(jié)能的電力電子器件，并廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如空調(diào)、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、高效電動(dòng)機(jī)、混合和純電動(dòng)汽車、高速列車、智能電網(wǎng)、超高壓輸變電等。與使用傳統(tǒng)硅器件相比，使用碳化硅半導(dǎo)體電力電子器件可以大大減少電力系統(tǒng)的能量損耗，提高電力使用效率，降低電力系統(tǒng)的尺寸，同時(shí)可提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性并降低系統(tǒng)整機(jī)造價(jià)。高效節(jié)能碳化硅電力電子器件的普及和應(yīng)用可以為產(chǎn)業(yè)升級(jí)、節(jié)能減排和建設(shè)低碳社會(huì)提供技術(shù)保障。 據(jù)介紹，美國(guó)F－22戰(zhàn)斗機(jī)也大量使用了碳化硅半導(dǎo)體器件。我國(guó)碳化硅技術(shù)最早也用于軍事，現(xiàn)在慢慢擴(kuò)大到民用方面，一旦普及，將創(chuàng)造巨大的社會(huì)效益。 
中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員陳小龍（資料圖）
6英寸碳化硅晶體和單晶襯底片 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。
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。（資料圖） 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(jiàn)光等，但也有不足，如價(jià)格太高。 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)模化生產(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(kāi)始量產(chǎn)4英寸碳化硅晶體。 2013年，陳小龍團(tuán)隊(duì)開(kāi)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)。 |
