眾所周知，在硅材料和芯片上，我國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)歷經(jīng)了一段艱苦而困難的追趕過(guò)程，那么在八英寸SiC上，我國(guó)的實(shí)際表現(xiàn)又如何呢？在具體介紹這個(gè)之前，我們先看一下碳化硅的優(yōu)勢(shì)。
按照山東大學(xué)晶體材料實(shí)驗(yàn)室、南砂晶教授徐現(xiàn)剛在早前于南沙舉辦的“2022中國(guó)·南沙國(guó)際集成電路產(chǎn)業(yè)論壇——寬禁帶半導(dǎo)體論壇”上所說(shuō)，碳化硅的熱導(dǎo)率為5，這個(gè)數(shù)字僅次于金剛石（熱導(dǎo)率22），但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于砷化鎵，由此可以看到它的熱導(dǎo)率性能非常好；與硅相比，碳化硅的帶隙是前者的3倍，飽和電子速率是前者的2倍，這從物理性質(zhì)上決定了它有非常好的性質(zhì)，有很好的應(yīng)用前景。
“碳化硅還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是它的硬度和金剛石差不多，高達(dá)9.8（金剛石是10）。另外，它的光學(xué)方面也有很好的優(yōu)點(diǎn)，也僅次于金剛石。這些優(yōu)點(diǎn)決定了上世紀(jì)50年代在尋找半導(dǎo)體材料的時(shí)候，就找到了碳化硅，但由于材料技術(shù)和設(shè)備的限制，這種材料一直默默無(wú)聞，沒(méi)有發(fā)展起來(lái)。但它們?cè)?lsquo;高功率、高頻、高溫、高效’方面給我們提供了可能性”徐現(xiàn)剛教授補(bǔ)充說(shuō)。
徐現(xiàn)剛教授表示，碳化硅材料的發(fā)展有一段很悠長(zhǎng)的歷史。自1885年瑞典的科學(xué)家發(fā)明了碳化硅生長(zhǎng)裝置以來(lái)（這個(gè)裝置目前我們還在沿用），我們就在其上把沙子和木炭這樣的核心原材料加熱到1500℃左右，通過(guò)導(dǎo)電，引發(fā)自蔓延反應(yīng)，形成碳化硅。
徐現(xiàn)剛教授同時(shí)指出，碳化硅的原材料來(lái)源于沙子，也就是二氧化硅，常用的是高純石英礦。而從碳化硅發(fā)明到現(xiàn)在，大部分時(shí)間的用途是非單晶的，都是用在磨料、砂輪、陶瓷和纖維上。但在1955年Lely發(fā)明了一個(gè)后來(lái)被稱為“Lely法”的制造工藝之后，碳化硅制造又有了新的選擇。
不過(guò)，徐現(xiàn)剛教授也直言，傳統(tǒng)的“lely法”生長(zhǎng)的難度非常高，這也是導(dǎo)致碳化硅單晶在最近六七十年的發(fā)展落后于硅單晶的原因。但在科學(xué)家于1978年修正了Lely法后，形成了我們目前常用的第三種方法。
“目前主流的單晶生長(zhǎng)方法就是PVT和高溫CVD法，液相法在最近也逐步進(jìn)入了大家的視線。對(duì)于這些制造方法來(lái)說(shuō)，由于其需求的溫度非常高（熔體達(dá)到3000℃以上、5000kpa大氣壓以下），所以用傳統(tǒng)長(zhǎng)單晶的方法很難實(shí)現(xiàn)，帶來(lái)了難度的增加。另外，雖然它們都叫碳化硅，但碳化硅還有一個(gè)同數(shù)據(jù)構(gòu)體，也就是說(shuō)元素一樣、結(jié)構(gòu)不一樣（現(xiàn)在在自然界可以存在200多種類型），這樣很難控制它的唯一性生長(zhǎng)。和傳統(tǒng)的硅單晶相比，碳化硅單晶生長(zhǎng)是黑盒子系統(tǒng)，生長(zhǎng)過(guò)程我們不可看，這些都增加了碳化硅單晶生長(zhǎng)的難度。”徐現(xiàn)剛教授說(shuō)。
即使如此難，但據(jù)徐現(xiàn)剛教授介紹，在過(guò)去幾十年的發(fā)展中，我國(guó)在碳化硅單晶研究也取得幾個(gè)階段性的進(jìn)展：
第一階段
90年代光電的應(yīng)用，碳化硅作為襯底，成功應(yīng)用在光電領(lǐng)域，推動(dòng)了碳化硅光電的進(jìn)展；
第二階段
微波電子。由于國(guó)家的重大需求，推動(dòng)了它在微波電子上的應(yīng)用，我們現(xiàn)在做的微波電子不比國(guó)外差。
第三階段
功率電子的應(yīng)用。希望上下游通力合作，在這方面趕超國(guó)外。
他進(jìn)一步指出，國(guó)際上十年前突破了6英寸襯底技術(shù)，在“十三五”期間更是突破了8英寸襯底關(guān)鍵技術(shù)，并于今年成功導(dǎo)入量產(chǎn)。而我國(guó)在這上面也有三十多年的研究歷史。而他所在的山東大學(xué)從2000年開(kāi)始啟動(dòng)碳化硅單晶的生長(zhǎng)工作，中間克服了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。2011年，他們對(duì)其進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，并成功轉(zhuǎn)化到山東天岳，把我們的襯底制備技術(shù)推向了市場(chǎng)。
“經(jīng)過(guò)多年的理論和技術(shù)攻關(guān)，我們也把碳化硅單晶直徑從6英寸擴(kuò)展到了8英寸，通過(guò)X光分析，這些晶體質(zhì)量還是不錯(cuò)的。”徐現(xiàn)剛教授在演講中表示。
據(jù)他所說(shuō)，8英寸單晶的研發(fā)和跟種莊稼一樣，要有種子才能長(zhǎng)出來(lái)。所以在制備的時(shí)候，首先第一步要得到種子，也就是籽晶。現(xiàn)在的8英寸時(shí)代，國(guó)際和國(guó)內(nèi)都重視對(duì)種子的培養(yǎng)，所以我們第一代培養(yǎng)的是種子，并不是半晶圓，沒(méi)有進(jìn)行摻雜，后續(xù)有了種子，我們才會(huì)進(jìn)行第二步的摻雜。“我們從2018年開(kāi)始攻關(guān)了好久，突破8英寸的種子是非常難的，每次晶體從150mm邁向200mm的時(shí)候，每次只進(jìn)展幾毫米，花費(fèi)時(shí)間非常長(zhǎng)，所以科研經(jīng)費(fèi)也非常重要，能給我們投入一點(diǎn)，我們就能進(jìn)步一點(diǎn)。”徐現(xiàn)剛教授教授強(qiáng)調(diào)。
在最后問(wèn)到我們與國(guó)際在八英寸上的差距時(shí)，徐現(xiàn)剛教授回應(yīng)道：“國(guó)外在‘十三五’期間攻克了8英寸，且很快進(jìn)行了導(dǎo)入量產(chǎn)。我們國(guó)內(nèi)非常重視，但這與我們科研實(shí)力條件的布局有關(guān)。目前我們已經(jīng)有了8英寸，差距也就是在兩到三年之內(nèi)。隨著大家的積極投入，這個(gè)時(shí)間的差距會(huì)越來(lái)越小”。
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