众所周知,在硅材料和芯片上,我国半导体企业历经了一段艰苦而困难的追赶过程,那么在八英寸SiC上,我国的实际表现又如何呢?在具体介绍这个之前,我们先看一下碳化硅的优势。
按照山东大学晶体材料实验室、南砂晶教授徐现刚在早前于南沙举办的“2022中国·南沙国际集成电路产业论坛——宽禁带半导体论坛”上所说,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”徐现刚教授补充说。
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。
徐现刚教授同时指出,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。
“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、5000kpa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。”徐现刚教授说。
即使如此难,但据徐现刚教授介绍,在过去几十年的发展中,我国在碳化硅单晶研究也取得几个阶段性的进展:
第一阶段
90年代光电的应用,碳化硅作为衬底,成功应用在光电领域,推动了碳化硅光电的进展;
第二阶段
微波电子。由于国家的重大需求,推动了它在微波电子上的应用,我们现在做的微波电子不比国外差。
第三阶段
功率电子的应用。希望上下游通力合作,在这方面赶超国外。
他进一步指出,国际上十年前突破了6英寸衬底技术,在“十三五”期间更是突破了8英寸衬底关键技术,并于今年成功导入量产。而我国在这上面也有三十多年的研究历史。而他所在的山东大学从2000年开始启动碳化硅单晶的生长工作,中间克服了多项关键技术。2011年,他们对其进行了产业化转化,并成功转化到山东天岳,把我们的衬底制备技术推向了市场。
“经过多年的理论和技术攻关,我们也把碳化硅单晶直径从6英寸扩展到了8英寸,通过X光分析,这些晶体质量还是不错的。”徐现刚教授在演讲中表示。
据他所说,8英寸单晶的研发和跟种庄稼一样,要有种子才能长出来。所以在制备的时候,首先第一步要得到种子,也就是籽晶。现在的8英寸时代,国际和国内都重视对种子的培养,所以我们第一代培养的是种子,并不是半晶圆,没有进行掺杂,后续有了种子,我们才会进行第二步的掺杂。“我们从2018年开始攻关了好久,突破8英寸的种子是非常难的,每次晶体从150mm迈向200mm的时候,每次只进展几毫米,花费时间非常长,所以科研经费也非常重要,能给我们投入一点,我们就能进步一点。”徐现刚教授教授强调。
在最后问到我们与国际在八英寸上的差距时,徐现刚教授回应道:“国外在‘十三五’期间攻克了8英寸,且很快进行了导入量产。我们国内非常重视,但这与我们科研实力条件的布局有关。目前我们已经有了8英寸,差距也就是在两到三年之内。随着大家的积极投入,这个时间的差距会越来越小”。
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