突破8英寸碳化硅衬底量产关键难题，与国际差距在2~3年之内

半导体产业网获悉：在近期举行的2022中国·南沙国际集成电路产业论坛宽禁带半导体论坛上，山东大学晶体材料实验室、南砂晶圆创始人兼首席科学家徐现刚教授发表了主题演讲，分享了来自产业一线的观察和思考。

山东大学晶体材料实验室、南砂晶圆创始人兼首席科学家徐现刚教授

徐现刚教授介绍，碳化硅的热导率为5，这个数字仅次于金刚石（热导率22），但远远高于砷化镓，由此可以看到它的热导率性能非常好；与硅相比，碳化硅的带隙是前者的3倍，饱和电子速率是前者的2倍，这从物理性质上决定了它有非常好的性质，有很好的应用前景。

“碳化硅还有一个优点，那就是它的硬度和金刚石差不多，高达9.8（金刚石是10）。另外，它的光学方面也有很好的优点，也仅次于金刚石。这些优点决定了上世纪50年代在寻找半导体材料的时候，就找到了碳化硅，但由于材料技术和设备的限制，这种材料一直默默无闻，没有发展起来。但它们在‘高功率、高频、高温、高效’方面给我们提供了可能性”，徐现刚教授补充道。

徐现刚教授表示，碳化硅材料的发展有一段很悠长的历史。自1885年瑞典的科学家发明了碳化硅生长装置以来（这个装置目前我们还在沿用），我们就在其上把沙子和木炭这样的核心原材料加热到1500 ℃左右，通过导电，引发自蔓延反应，形成碳化硅。

碳化硅的原材料来源于沙子，也就是二氧化硅，常用的是高纯石英矿。而从碳化硅发明到现在，大部分时间的用途是非单晶的，都是用在磨料、砂轮、陶瓷和纤维上。但在1955年Lely发明了一个后来被称为“Lely法”的制造工艺之后，碳化硅制造又有了新的选择。

不过，徐现刚教授也直言，传统的“lely法”生长的难度非常高，这也是导致碳化硅单晶在最近六七十年的发展落后于硅单晶的原因。但在科学家于1978年修正了Lely法后，形成了我们目前常用的第三种方法。

他表示：“目前主流的单晶生长方法就是PVT和高温CVD法，液相法在最近也逐步进入了大家的视线。对于这些制造方法来说，由于其需求的温度非常高（熔体达到3000 ℃以上、5000 kPa大气压以下），所以用传统长单晶的方法很难实现，带来了难度的增加。另外，虽然它们都叫碳化硅，但碳化硅还有一个同数据构体，也就是说元素一样、结构不一样（现在在自然界可以存在200多种类型），这样很难控制它的唯一性生长。和传统的硅单晶相比，碳化硅单晶生长是黑盒子系统，生长过程我们不可看，这些都增加了碳化硅单晶生长的难度。”

徐现刚教授介绍说，碳化硅单晶的研究可以分为三个阶段：第一阶段是90年代光电应用，碳化硅作为衬底，成功应用在光电领域；第二阶段是微波电子，我国做的已经不比国外差；第三阶段是功率电子应用，希望上下游通力合作，在这方面赶超国外。

徐现刚指出，从衬底发展来看，海外厂商在十年前突破了6英寸衬底技术，国际行业龙头科锐今年成功将8英寸衬底导入量产，全球首条8英寸晶圆工厂已经通线，很快就要建第二个8英寸碳化硅器件生产厂，目前已稳定导入产业。

经过30多年的研发，国内碳化硅研究已具备一定条件，可以为器件研发提供衬底材料。在国内“十三五”期间，突破了8英寸衬底量产的关键难题，正快速导入量产进程。

碳化硅衬底正不断向大尺寸方向发展，衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，单位芯片成本越低。目前业内主要量产产品集中在4英寸及6英寸，并演化向8英寸。

在产业化方面，国内碳化硅企业已完成4~6英寸的升级。徐现刚教授认为：“目前国内已有8英寸碳化硅，与国际差距在2~3年之内，这个差距会越来越小。"

来源：第三代半导体产业