山东大学与南砂晶圆团队在8英寸SiC衬底位错缺陷控制方面取得重大突破

日期:2023-08-30 阅读:572
核心提示:碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料, 具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高热导率、强化学稳定性等优良特性,在电动汽车、轨道

 碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料, 具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高热导率、强化学稳定性等优良特性,在电动汽车、轨道交通、高压输变电、光伏、5G 通讯等领域具有重大应用价值。在新能源产业强劲需求下,全球 SiC 产业步入高速成长期,推升了对 SiC 衬底产能的需求。目前商用 SiC 衬底尺寸仍以 6 英寸为主,扩大 SiC 衬底尺寸是增加产能供给、降低成本的重要途径之一。

近年来 SiC 衬底厂商加速推进 8 英寸衬底的研发和量产进度,以抢占 8 英寸先机。行业龙头美国Wolfspeed 最早在 2015 年展示了 8 英寸 SiC 样品,2022 年 4 月,Wolfspeed 启动了全球首家 8 英寸 SiC晶圆厂。虽然起步时间相对于国外较晚,国内 8 英寸 SiC 衬底研究近年来取得了显著进展,2022 年多家单位公布 8 英寸导电型 4H-SiC 产品开发成功,包括山东大学、广州南砂晶圆、中科院物理研究所、山东天岳先进、山西烁科晶体、北京天科合达等单位。

8 英寸与 6 英寸 SiC 晶圆的制造工艺有很大差别,当尺寸扩展到 8 英寸之后,热应力增大,缺陷控制更加困难,尤其是位错缺陷的控制与 6 英寸相比还有一定差距。

目前商用 6 英寸导电型 4H-SiC衬底的 TSD 密度控制在 200 cm-2 以下,优值小于 50cm-2,BPD 密度在 800 cm-2 以下,优值小于 500 cm-2。8 英寸 SiC 衬底要实现量产,提升市场份额,需要进一步降低位错缺陷密度,达到 6 英寸 SiC 衬底的位错缺陷水平,尤其是对器件性能影响较大的TSD 和 BPD。

近期,山东大学与南砂晶圆半导体技术有限公司在8英寸SiC衬底位错缺陷控制方面取得了重大突破,使用物理气相传输法实现了近“零螺位错(TSD)”密度和低基平面位错(BPD)密度的8英寸导电型4H-SiC单晶衬底制备,其中螺位错密度为0.55 cm-2,基平面位错密度为202 cm-2。

8英寸导电型4H-SiC衬底

8英寸导电型4H-SiC单晶衬底的螺位错和基平面位错密度及其分布

为制备的 8 英寸导电型 4H-SiC 单晶衬底,使用熔融 KOH 对衬底进行选择性蚀刻,统计 BPD 和TSD 对应的特征腐蚀坑数量,计算 BPD 和 TSD 密度。为衬底的 BPD 密度分布图,平均 BPD密度为 202 cm-2。上图给出了 TSD 密度分布图,平均 TSD 密度<1 cm-2。为不同尺寸 TSD 腐蚀坑对应的数量,其中 TSD 数量总计 42 个,测试点数 1564 个,每个点对应面积 0.0489 cm2,因此TSD 密度=42/(1564×0.0489cm2)=0.55 cm-2。

研究团队实现了近“零 TSD”和低 BPD 密度的 8 英寸导电型 4H-SiC 单晶衬底制备,8 英寸 SiC 单晶衬底位错缺陷的有效控制,有助于加快国产 8 英寸导电型4H-SiC 衬底的产业化进程,提升市场竞争力。

作者:(熊希希,杨祥龙,陈秀芳,李晓蒙 ,谢雪健 ,胡国杰 ,彭燕 ,胡小波 ,徐现刚 )山东大学 晶体材料国家重点实验室,新一代半导体材料研究院;(于国建,王垚浩 )广州南砂晶圆半导体技术有限公司

——  作 者 简 介  ——

团队带头人:

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徐现刚

山东大学新一代半导体材料研究院主任

徐现刚,教授,凝聚态物理、半导体材料学教授,博士生导师,教育部长江计划特聘教授,国家杰出青年科学基金获得者,泰山学者特聘专家,科技部973国家重点基础研发计划首席科学家,核心基础元器件重大专项负责人。国家863计划半导体照明工程重大项目总体专家组专家,享受国务院政府特殊津贴专家,获得山东省科技进步一等奖,国防科学技术进步一等奖,山东省技术发明一等奖,以及第十届“山东省优秀科技工作者”荣誉称号。

现任山东大学新一代半导体材料研究院主任。国务院学位委员会委员、中国晶体学会理事、弱光非线性光子学教育部重点实验室学术委员会委员、中国光学光电子行业协会光电器件分会特聘专家、中国青年科技工作者协会会员。在国内外发表论文400余篇,被引4000余次。国家授权发明专利100余项。

通讯作者:

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陈秀芳

山东大学教授

陈秀芳,山东大学教授,博士生导师,主要从事宽带隙碳化硅等半导体材料研究,取得一系列重要应用型科研成果,先后主持承担了国家科技重大专项、973计划、预研项目、国家重点研发计划、山东省自主创新重大专项等20余项国家及省部级项目。在国内外学术刊物上发表论文50余篇,申请和获得授权发明专利30余项。获得“教育部长江计划特岗教授”荣誉称号,“山东省技术发明一等奖”、“国家自然科学基金优秀青年基金”、“山东省自然科学杰出青年基金”等。

通讯作者:

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杨祥龙

山东大学副教授

杨祥龙,山东大学副教授,博士生导师。长期从事宽禁带半导体碳化硅晶体生长和缺陷分析研究,主持承担了国家自然科学基金、省重点研发计划、省自然科学基金等多项科研项目。在国内外学术刊物上发表论文30余篇,申请和获得授权发明专利20余件。

广州南砂晶圆半导体技术有限公司简介:

广州南砂晶圆半导体技术有限公司成立于广州市南沙自贸区,是聚焦碳化硅单晶材料的高新技术企业。早年在蒋民华院士的指导下,长江学者徐现刚特聘教授带领团队历经多年研发,成功突破了碳化硅单晶生长及衬底制备技术,为碳化硅衬底的国产商业化奠定了良好基础。项目规划总投资9亿元,预计实现年产碳化硅衬底晶片20万片。

公司在规划自有厂房的同时,已经在南沙珠江工业园建设约 3000平方米厂房,先后投入1亿元购置晶体生长炉和相关衬底加工设备,力争以最快速度实现产业化。产品以4英寸、6英寸导电和半绝缘SiC衬底为主,以后将视市场需求不断丰富产品线。第三代半导体材料作为新基建的战略性材料,公司将立足粤港澳大湾区,力争发展成为全国乃至全球驰名的碳化硅半导体公司。

信息来源:山东大学晶体材料国家重点实验室  供稿

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