碳化硅（SiC）是一種寬帶隙化合物半導(dǎo)體，具有高擊穿場強(qiáng)（約為Si的10倍）、高飽和電子漂移速率（約為Si的2倍）、高熱導(dǎo)率（Si的3倍、GaAs的10倍）等優(yōu)異性能。相比同類硅基器件，SiC器件具有耐高溫、耐高壓、高頻特性好、轉(zhuǎn)化效率高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在電動汽車、軌道交通、高壓輸變電、光伏、5G通訊等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。高質(zhì)量、低成本、大尺寸SiC單晶襯底是制備SiC器件的基礎(chǔ)，掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SiC晶體生長和加工技術(shù)是相關(guān)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

自1999年，中國科學(xué)院科學(xué)家團(tuán)隊(duì)——物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員陳小龍研究團(tuán)隊(duì)立足自主創(chuàng)新，利用自主研發(fā)的生長設(shè)備，系統(tǒng)研究了SiC晶體生長的熱力學(xué)和生長動力學(xué)基本規(guī)律，認(rèn)識了晶體生長過程中相變、缺陷等的形成機(jī)制，提出了缺陷、電阻率控制和擴(kuò)徑方法，形成了系列從生長設(shè)備到高質(zhì)量SiC晶體生長和加工等關(guān)鍵技術(shù)，將SiC晶體直徑從小于10毫米（2000年）不斷增大到2英寸（2005年）。2006年，該團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)率先開展了SiC單晶的產(chǎn)業(yè)化，通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，先后研制出4英寸（2010年）和6英寸（2014）SiC單晶。

SiC器件的成本主要由襯底、外延、流片和封測等環(huán)節(jié)形成，襯底在SiC器件成本中占比高達(dá)~45%。進(jìn)一步擴(kuò)大SiC襯底尺寸，在單個襯底上增加器件的數(shù)量是降低成本的主要途徑。8英寸SiC襯底將比6英寸在成本降低上具有明顯優(yōu)勢。國際上8英寸SiC單晶襯底研制成功已有報(bào)道，但尚未有產(chǎn)品投放市場。

8英寸SiC晶體生長的難點(diǎn)在于：首先要研制出8英寸籽晶；其次要解決大尺寸帶來的溫場不均勻、氣相原料分布和輸運(yùn)效率問題；另外，還要解決應(yīng)力加大導(dǎo)致晶體開裂問題。在已有的研究基礎(chǔ)上，2017年，陳小龍、博士生楊乃吉、副研究員李輝、主任工程師王文軍等開始8英寸SiC晶體的研究，掌握了8英寸生長室溫場分布和高溫氣相輸運(yùn)特點(diǎn)，以6英寸SiC為籽晶，設(shè)計(jì)了有利于SiC擴(kuò)徑生長的裝置，解決了擴(kuò)徑生長過程中籽晶邊緣多晶形核問題；設(shè)計(jì)了新型生長裝置，提高了原料輸運(yùn)效率；通過多次迭代，逐步擴(kuò)大SiC晶體的尺寸；通過改進(jìn)退火工藝，減小了晶體中的應(yīng)力從而抑制了晶體開裂。2021年10月在自研的襯底上初步生長出了8英寸SiC晶體。

2022年，科研人員通過優(yōu)化生長工藝，進(jìn)一步解決了多型相變問題，持續(xù)改善晶體結(jié)晶質(zhì)量，成功生長出單一4H晶型的8英寸SiC晶體，晶坯厚度接近19.6 mm，加工出了厚度約2mm的8英寸SiC晶片（圖1），并對其進(jìn)行相關(guān)測試。Raman散射圖譜和X射線搖擺曲線測試結(jié)果表明，生長的8英寸SiC為4H晶型（圖2）；(0004)面的半高寬平均值為46.8 arcsec（圖3）。相關(guān)工作已申請了三項(xiàng)中國發(fā)明專利。

8英寸SiC導(dǎo)電單晶的研制成功是物理所在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域取得的重要進(jìn)展，研發(fā)成果轉(zhuǎn)化后，將有助于增強(qiáng)我國在SiC單晶襯底的國際競爭力，促進(jìn)我國寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。研究工作得到科技部、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)、國家自然科學(xué)基金委、北京市科技委員會、工信部、中科院等的支持。

圖1.8英寸SiC晶體和晶片照片

圖2.8英寸SiC晶片的Raman散射圖譜

圖3.8英寸4度偏角(4° off-axis)SiC晶片(0004)面的X射線搖擺曲線

（來源：中國科學(xué)院網(wǎng)站）