半导体产业网获悉:在近期举行的2022中国·南沙国际集成电路产业论坛宽禁带半导体论坛上,山东大学晶体材料实验室、南砂晶圆创始人兼首席科学家徐现刚教授发表了主题演讲,分享了来自产业一线的观察和思考。

突破8英寸碳化硅衬底量产关键难题,与国际差距在2~3年之内

山东大学晶体材料实验室、南砂晶圆创始人兼首席科学家徐现刚教授

徐现刚教授介绍,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”,徐现刚教授补充道。

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。

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。

他表示:“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、5000 kPa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。”

徐现刚教授介绍说,碳化硅单晶的研究可以分为三个阶段:第一阶段是90年代光电应用,碳化硅作为衬底,成功应用在光电领域;第二阶段是微波电子,我国做的已经不比国外差;第三阶段是功率电子应用,希望上下游通力合作,在这方面赶超国外。

徐现刚指出,从衬底发展来看,海外厂商在十年前突破了6英寸衬底技术,国际行业龙头科锐今年成功将8英寸衬底导入量产,全球首条8英寸晶圆工厂已经通线,很快就要建第二个8英寸碳化硅器件生产厂,目前已稳定导入产业。

经过30多年的研发,国内碳化硅研究已具备一定条件,可以为器件研发提供衬底材料。在国内“十三五”期间,突破了8英寸衬底量产的关键难题,正快速导入量产进程。

碳化硅衬底正不断向大尺寸方向发展,衬底尺寸越大,单位衬底可制造的芯片数量越多,单位芯片成本越低。目前业内主要量产产品集中在4英寸及6英寸,并演化向8英寸。

在产业化方面,国内碳化硅企业已完成4~6英寸的升级。徐现刚教授认为:“目前国内已有8英寸碳化硅,与国际差距在2~3年之内,这个差距会越来越小。"

来源:第三代半导体产业


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