上海电机学院发表12英寸SiC晶体生长重要研究成果

近日，上海电机学院超&宽禁带半导体团队在碳化硅（SiC）大尺寸晶体生长领域取得重要进展。该团队研究生李伟填以第一作者身份，在国际晶体工程领域知名期刊《CrystEngComm》上发表了题为“Thermal field simulation and optimization of 12-inch SiC crystals grown in a novel resistance heating furnace”的研究论文。该工作为12英寸SiC单晶的产业化生长提供了关键的理论与技术方案。

一、 研究背景：大尺寸化是降本核心路径

碳化硅（SiC）作为第三代半导体的核心材料，因其宽禁带、高击穿电场、高导热率等优异性能，在新能源汽车、光伏逆变、轨道交通等高压、高频、大功率场景中具有不可替代的优势。目前，6至8英寸SiC衬底已实现规模化应用，但 AR 眼镜、先进封装等新兴场景对成本提出更高要求，扩大晶圆尺寸是降低 SiC 器件成本、推动产业普及的核心路径。然而，现有热场模拟研究多集中于8英寸及以下尺寸，针对12英寸SiC晶体生长过程中生长区与原料区的耦合热场系统优化，以及其与新型电阻加热炉的适配性研究仍较为缺乏。

二、 核心成果：仿真优化与实验验证双突破

针对上述挑战，本研究团队开展了系统性工作。研究首先通过数值模拟，深入分析了新型电阻加热炉内12英寸SiC晶体生长区与原料区的热场分布特性。经过综合对比与优化，团队确定了45 kW加热功率、无外部保温、无顶部保温的适宜工艺参数组合。

最后在该优化参数下进行实验验证，成功制备出直径 300 mm、厚度约 20 mm 的 SiC 多晶晶锭，验证了该电阻炉对 8-12 英寸碳化硅晶体生长的兼容性，进一步降低了生长成本。这项成果为后续团队生长 12 英寸 4H-SiC 单晶生长提供了可靠方案。

三、 关键设备：国产新型电阻炉提供强力支撑

本次晶体生长采用深圳海目芯微电子装备科技有限公司自主研发的双瓣式新颖电阻加热炉。该新型双瓣式电阻加热炉具备以下突出特点：

1. 便捷维护：采用前开式长晶腔体设计，热场更换与维护简便，坩埚取放自动化程度高。
2. 稳定可靠：独有的防打火设计，确保加热器与电极永不打火，极大延长了加热元件的使用寿命。
3. 工艺可控：特殊的三相低电压大电流石墨加热器设计，可根据工艺需求灵活调节轴向（△Ts）与径向（△Tr）温度梯度，获取最佳长晶温梯参数。
4. 全程精准：实现长晶全过程（通常144-168小时）轴向与径向温度的实时监控与闭环控制，保障了工艺的温度稳定性与再现性。
5. 兼容性强：一台设备兼容8至12英寸SiC晶体生长，为产业化提供了高效、经济的装备解决方案。

四、 研究意义与团队介绍

本研究建立了一套适配新型国产电阻炉的12英寸SiC热场仿真与优化方法，明确了关键工艺窗口，并通过实验完成了验证，实现了“仿真指导-实验验证”的闭环。该成果不仅为12英寸SiC衬底的产业化奠定了重要的理论与技术基础，也为团队后续开展12英寸4H-SiC单晶的正式生长提供了直接、可靠的工艺方案。

此项研究得到了国家重点研发计划项目(2024YFB3816700)、宁波市青年科技创新领军人才计划项目(2024QL018)以及浙江省重点研发计划项目(2024SSYS0052)的资助。论文工作由上海电机学院研究生李伟填作为第一作者完成。研究采用了“产学研”协同创新模式，联合了海目芯微电子装备科技有限公司、晶曜盛巳（宁波）半导体有限公司等产业链企业，共同推动了我国第三代半导体高端装备与材料技术的自主可控进程。

上海电机学院超&宽禁带半导体团队长期聚焦于SiC、氮化铝（AlN）等超宽禁带半导体材料的晶体生长技术与核心装备研发，致力于为我国半导体战略产业的发展提供源头创新与人才支撑。

论文信息:

WeiTian Li, Dan Liu, Song Yang*, ShaoYi Jiang, XueChao Liu*, YunZhou Xue, JianChao Gong, Lin Du, MingGao Ding, Ying Wang*, ShaoLong He, Min Jin, LianYi Xu, RongBin Li and Pan Gao*. Thermal field simulation and optimization of 12-inch SiC crystals grown in a novel resistance heating furnace. CrystEngComm, 2026, 28, 2164-2172.

DOI: 10.1039/D6CE00027D

信息来源：上海电机超&宽禁带半导体实验室，联盟编辑整理

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