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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，陳小龍團隊花了10多年時間，在國內率先實現了碳化硅單晶襯底自主研發和產業化。據《中國科學報》12日報道，不久前，中國科學院物理研究所研究員陳小龍研究組與北京天科合達藍光半導體有限公司（以下簡稱天科合達）合作，解決了6英寸擴徑技術和晶片加工技術，成功研制出了6英寸碳化硅單晶襯底。截至2014年3月，天科合達形成了一條年產7萬片碳化硅晶片的生產線。 碳化硅作為第三代半導體材料，可用于制作新一代高效節能的電力電子器件，并廣泛應用于國民經濟的各個領域，如空調、光伏發電、風力發電、高效電動機、混合和純電動汽車、高速列車、智能電網、超高壓輸變電等。與使用傳統硅器件相比，使用碳化硅半導體電力電子器件可以大大減少電力系統的能量損耗，提高電力使用效率，降低電力系統的尺寸，同時可提高系統運行的可靠性并降低系統整機造價。高效節能碳化硅電力電子器件的普及和應用可以為產業升級、節能減排和建設低碳社會提供技術保障。 據介紹，美國F－22戰斗機也大量使用了碳化硅半導體器件。我國碳化硅技術最早也用于軍事，現在慢慢擴大到民用方面，一旦普及，將創造巨大的社會效益。 
中國科學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 第三代半導體材料 研究人員告訴記者，上世紀五六十年代，硅和鍺構成了第一代半導體材料，主要應用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中。相比于鍺半導體器件，硅材料制造的半導體器件耐高溫和抗輻射性能較好。 到了上世紀60年代后期，95%以上的半導體、99%的集成電路都是用硅半導體材料制造的。直到現在，我們使用的半導體產品大多是基于硅材料的。 進入上世紀90年代后，砷化鎵、磷化銦代表了第二代半導體材料，可用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件。因信息高速公路和互聯網的興起，第二代半導體材料被廣泛應用于衛星通訊、移動通訊、光通信和GPS導航等領域。 與前兩代半導體材料相比，第三代半導體材料通常又被稱為寬禁帶半導體材料或高溫半導體材料。其中，碳化硅和氮化鎵在第三代半導體材料中是發展成熟的代表。 記者了解到，碳化硅單晶是一種寬禁帶半導體材料，具有禁帶寬度大，臨界擊穿場強大，熱導率高，飽和漂移速度高等諸多特點，被廣泛應用于制作高溫、高頻及大功率電子器件。 關于氮化鎵，曾有報道稱，一片2英寸的氮化鎵晶片，可以生產出1萬盞亮度為節能燈10倍、發光效率為節能燈3～4倍、壽命為節能燈10倍的高亮度LED照明燈；也可以制造出5000個平均售價在100美元左右的藍光激光器；還可以被應用在電力電子器件上，使系統能耗降低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、金氧半場效晶體管等器件的理想襯底材料。物理所先進材料與結構分析實驗室陳小龍研究組（功能晶體研究與應用中心）長期從事碳化硅單晶生長研究工作。
美國在碳化硅晶片技術上遙遙領先，廣泛應用于F-22等先進武器。（資料圖） 大尺寸晶片的突圍 雖然用于氮化鎵生長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量，降低位錯密度，還能提高器件工作壽命、工作電流密度和發光效率。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）上生長氮化鎵厚膜，然后通過剝離技術實現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，位元錯密度要明顯低，但價格昂貴。 于是，陳小龍團隊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點，如化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等，但也有不足，如價格太高。 早年，全球市場上碳化硅晶片價格十分昂貴，一片2英寸碳化硅晶片的國際市場價格曾高達500美元（2006年），但仍供不應求。高昂的原材料成本占碳化硅半導體器件價格的10%以上，“碳化硅晶片價格已成為第三代半導體產業發展的瓶頸。”陳小龍說。 為了降低器件成本，下游產業對碳化硅單晶襯底提出了大尺寸的要求。因而，采用先進的碳化硅晶體生長技術，實現規模化生產，降低碳化硅晶片生產成本，將促進第三代半導體產業的迅猛發展，拓展市場需求。 天科合達成立于2006年，依托于陳小龍研究團隊中在碳化硅領域的研究成果。自成立以來，天科合達研發出碳化硅晶體生長爐和碳化硅晶體生長、加工技術及專業設備，建立了完整的碳化硅晶片生產線。 這些年來，天科合達致力于提高碳化硅晶體的質量，以及大尺寸碳化硅晶體的研發，將先進的碳化硅晶體生長和加工技術產業化，大規模生產和銷售具有自主知識產權的碳化硅晶片。 10年自主創新之路 美國科銳公司作為碳化硅襯底提供商，曾長期壟斷國際市場。2011年，科銳公司發布了6英寸碳化硅晶體，同年，天科合達才開始量產4英寸碳化硅晶體。 2013年，陳小龍團隊開始進行6英寸碳化硅晶體的研發工作，用了近一年的時間，團隊研發的國產6英寸碳化硅單晶襯底問世。測試證明，國產6英寸碳化硅晶體的結晶質量很好，該成果標志著物理所碳化硅單晶生長研發工作已達到國際先進水平，可以為高性能碳化硅基電子器件的國產化提供材料基礎。 “雖然起步有點晚，但通過10多年的自主研發，我們與國外的技術差距在逐步縮小。”陳小龍說。作為國內碳化硅晶片生產制造的先行者，天科合達打破了國外壟斷，填補了國內空白，生產的碳化硅晶片不僅技術成熟，還低于國際同類產品價格。 截至2014年3月，天科合達形成了一條年產7萬片碳化硅晶片的生產線，促進了我國第三代半導體產業的持續穩定發展，取得了較好的經濟效益和社會效益。 陳小龍指出，當前碳化硅主要應用于三大領域：高亮度LED、電力電子以及先進雷達，以后還可能走進家用市場，這意味著陳小龍團隊的自主創新和產業化之路還將延續。 |
