浙江大学50mm厚6英寸碳化硅单晶生长成功

50 mm，是什么概念?一本字典的厚度、一个火柴盒的长度……对于日常生活而言，50 mm或许没有那么起眼，但是对于碳化硅单晶厚度来说，这个数值却不一般！

近日，浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院-乾晶半导体联合实验室和浙江大学硅材料国家重点实验室在浙江省“尖兵计划”等研发项目的资助下，成功生长出了厚度达到50 mm的6英寸碳化硅单晶（图1），这在国内尚属首次报道。该重要进展意味着，碳化硅衬底成本有望大幅降低，半导体碳化硅产业发展或将迎来发展新契机。

图1  50 mm厚6英寸（150 mm）碳化硅单晶锭和衬底片

厚度翻一番！碳化硅单晶高成本有望降低

碳化硅（SiC）单晶作为宽禁带半导体材料，对高压、高频、高温及高功率等半导体器件的发展至关重要。当前，碳化硅单晶的高成本是制约各种碳化硅半导体器件大规模应用和发展的主要因素。为了降低碳化硅单晶的成本，扩大其直径和增加其厚度是行之有效的途径。  

目前，国内碳化硅单晶的直径已经普遍能达到6英寸，但其厚度通常在~20-30 mm之间，导致一个碳化硅晶锭切片所获得的碳化硅衬底片的数量相当有限。

那么如何才能增加厚度？难点又在哪里？科研人员表示，增加碳化硅单晶厚度的主要挑战在于其生长时厚度的增加及源粉的消耗对生长室内部热场的改变。针对挑战，浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院-乾晶半导体联合实验室和浙江大学硅材料国家重点实验室通过设计碳化硅单晶生长设备的新型热场、发展碳化硅源粉的新技术、开发碳化硅单晶生长的新工艺，显著提升了碳化硅单晶的生长速率，成功生长出了厚度达到50 mm的6英寸碳化硅单晶。

该厚度的实现，一方面节约了昂贵的碳化硅籽晶的用量，另一方面使一个碳化硅单晶锭切片所获得的碳化硅衬底片数量能够翻倍，所以能够大幅降低碳化硅衬底的成本，有望有力推动半导体碳化硅产业的发展。

厚度增加了，品质能得到保证吗？科研人员通过对生长的碳化硅单晶锭切片所得的碳化硅衬底片（图1）进行分析，发现其晶型为4H，典型的（0004）晶面的X射线衍射峰的半高宽均值为18.47弧秒，总位错为5048/cm-2（图2）。以上结果均表明碳化硅单晶的晶体质量达到了业界水平。

图2  6英寸碳化硅衬底片的（0004）晶面的X射线衍射峰和位错分析结果

合力攻关，破解难题 

浙江省党代会报告提出，推进创新链产业链深度融合，要加快构建现代科创体系和产业体系。如何发挥浙江大学杭州国际科创中心优势资源，助力破解共性技术难题？浙江大学杭州国际科创中心一直在探索。

浙江大学杭州国际科创中心一直致力于推进产学研深度融合，加深与企业合作，链接全球创新资源，开展高水平高质量成果转化，共建创新联合体。目前，中心已与10余家企业共建创新联合体，浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院-乾晶半导体联合实验室就是其中之一。

本次成果由浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院-乾晶半导体联合实验室和浙江大学硅材料国家重点实验室共同完成，正是科技创新联动产业创新的体现。面对产业高度关心的碳化硅单晶成本问题，研究团队以碳化硅单晶厚度为关注点，充分整合浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院和浙江大学硅材料国家重点实验室优势资源进行了合力攻关，并取得阶段性成果，为半导体碳化硅技术的发展贡献了力量。

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浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心）是新时代浙江大学和杭州市全面深化市校战略合作共建的重大科技创新平台。科创中心以打造世界一流水平，引领未来发展的全球顶尖科技创新中心为目标，面向国家重大战略、区域发展重大需求和国际科学前沿，聚焦物质科学、信息科学、生命科学的会聚融通，打通前沿科学研究、颠覆性技术研发和成果产业化的全链条，是浙江省建设高水平创新型省份、打造科创高地的重大标志性工程。

浙江大学硅材料国家重点实验室是国内最早建立的国家重点实验室之一。以重点实验室为依托的浙江大学材料物理与化学学科（原半导体材料学科）一直是全国重点学科，1978年获批国内首批硕士点（半导体材料），1985年获批了国内第一个半导体材料工学博士点。目前实验室在半导体硅材料、先进半导体材料、半导体材料微结构与物理三个主要研究方向上开展工作。实验室正在积极参与科创中心的建设，启动了以碳化硅和氧化镓等为代表的先进半导体材料研究。

文字/图片：吴瑶瑶 先进半导体研究院/孔晓睿

本文编辑：孔晓睿