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中國成功研制國產(chǎn)6英寸碳化硅晶片 年產(chǎn)7萬片

2015-01-14
關(guān)鍵詞: 碳化硅 晶片 6英寸

    從2英寸、3英寸、4英寸到如今的6英寸單晶襯底,陳小龍團(tuán)隊花了10多年時間,在國內(nèi)率先實現(xiàn)了單晶襯底自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

  不久前,中國科學(xué)院物理研究所研究員陳小龍研究組與北京天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司(以下簡稱天科合達(dá))合作,解決了6英寸擴(kuò)徑技術(shù)和加工技術(shù),成功研制出了6英寸單晶襯底。

  從2英寸、3英寸、4英寸到如今的6英寸碳化硅單晶襯底,陳小龍團(tuán)隊花了10多年時間,在國內(nèi)率先實現(xiàn)了碳化硅單晶襯底自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

  第三代半導(dǎo)體材料

  研究人員告訴記者,上世紀(jì)五六十年代,硅和鍺構(gòu)成了第一代半導(dǎo)體材料,主要應(yīng)用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中。相比于鍺半導(dǎo)體器件,硅材料制造的半導(dǎo)體器件耐高溫和抗輻射性能較好。

  到了上世紀(jì)60年代后期,95%以上的半導(dǎo)體、99%的集成電路都是用硅半導(dǎo)體材料制造的。直到現(xiàn)在,我們使用的半導(dǎo)體產(chǎn)品大多是基于硅材料的。

  進(jìn)入上世紀(jì)90年代后,砷化鎵、磷化銦代表了第二代半導(dǎo)體材料,可用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件。因信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起,第二代半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信和GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。

  與前兩代半導(dǎo)體材料相比,第三代半導(dǎo)體材料通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料或高溫半導(dǎo)體材料。其中,碳化硅和氮化鎵在第三代半導(dǎo)體材料中是發(fā)展成熟的代表。

  記者了解到,碳化硅單晶是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料,具有禁帶寬度大,臨界擊穿場強(qiáng)大,熱導(dǎo)率高,飽和漂移速度高等諸多特點,被廣泛應(yīng)用于制作高溫、高頻及大功率電子器件。

  關(guān)于氮化鎵,曾有報道稱,一片2英寸的氮化鎵,可以生產(chǎn)出1萬盞亮度為節(jié)能燈10倍、發(fā)光效率為節(jié)能燈3~4倍、壽命為節(jié)能燈10倍的高亮度LED照 明燈;也可以制造出5000個平均售價在100美元左右的藍(lán)光激光器;還可以被應(yīng)用在電力電子器件上,使系統(tǒng)能耗降低30%以上。

  由于碳化硅和氮化鎵的晶格失配小,碳化硅單晶是氮化鎵基LED、肖特基二極管、金氧半場效晶體管等器件的理想襯底材料。物理所先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實驗室陳小龍研究組(功能晶體研究與應(yīng)用中心)長期從事碳化硅單晶生長研究工作。

  與前兩代半導(dǎo)體材料相比,第三代半導(dǎo)體材料通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料或高溫半導(dǎo)體材料

  大尺寸的突圍

  雖然用于氮化鎵生長最理想的襯底是氮化鎵單晶材料,該材料不僅可以大大提高外延膜的晶體質(zhì)量,降低位錯密度,還能提高器件工作壽命、工作電流密度和發(fā)光效率。但是,制備氮化鎵體單晶材料非常困難,到目前為止尚未有行之有效的辦法。

  為此,科研人員在其他襯底(如碳化硅)上生長氮化鎵厚膜,然后通過剝離技術(shù)實現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離,分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。盡管以氮化鎵厚膜為襯底的外延,相比在碳化硅材料上外延的氮化鎵薄膜,位元錯密度要明顯低,但價格昂貴。

  于是,陳小龍團(tuán)隊選擇了碳化硅單晶襯底研究。他指出,碳化硅單晶襯底有許多突出的優(yōu)點,如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光等,但也有不足,如價格太高。

  早年,全球市場上碳化硅晶片價格十分昂貴,一片2英寸碳化硅晶片的國際市場價格曾高達(dá)500美元(2006年),但仍供不應(yīng)求。高昂的原材料成本占碳化硅半導(dǎo)體器件價格的10%以上,“碳化硅晶片價格已成為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。”陳小龍說。

  為了降低器件成本,下游產(chǎn)業(yè)對碳化硅單晶襯底提出了大尺寸的要求。因而,采用先進(jìn)的碳化硅晶體生長技術(shù),實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn),降低碳化硅晶片生產(chǎn)成本,將促進(jìn)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,拓展市場需求。

  天科合達(dá)成立于2006年,依托于陳小龍研究團(tuán)隊中在碳化硅領(lǐng)域的研究成果。自成立以來,天科合達(dá)研發(fā)出碳化硅晶體生長爐和碳化硅晶體生長、加工技術(shù)及專業(yè)設(shè)備,建立了完整的碳化硅晶片生產(chǎn)線。

  這些年來,天科合達(dá)致力于提高碳化硅晶體的質(zhì)量,以及大尺寸碳化硅晶體的研發(fā),將先進(jìn)的碳化硅晶體生長和加工技術(shù)產(chǎn)業(yè)化,大規(guī)模生產(chǎn)和銷售具有自主知識產(chǎn)權(quán)的碳化硅晶片。

  碳化硅單晶是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料,具有禁帶寬度大,臨界擊穿場強(qiáng)大,熱導(dǎo)率高,飽和漂移速度高等諸多特點,被廣泛應(yīng)用于制作高溫、高頻及大功率電子器件

  10年自主創(chuàng)新之路

  美國科銳公司作為碳化硅襯底提供商,曾長期壟斷國際市場。2011年,科銳公司發(fā)布了6英寸碳化硅晶體,同年,天科合達(dá)才開始量產(chǎn)4英寸碳化硅晶體。

  2013年,陳小龍團(tuán)隊開始進(jìn)行6英寸碳化硅晶體的研發(fā)工作,用了近一年的時間,團(tuán)隊研發(fā)的國產(chǎn)6英寸碳化硅單晶襯底問世。測試證明,國產(chǎn)6英 寸碳化硅晶 體的結(jié)晶質(zhì)量很好,該成果標(biāo)志著物理所碳化硅單晶生長研發(fā)工作已達(dá)到國際先進(jìn)水平,可以為高性能碳化硅基電子器件的國產(chǎn)化提供材料基礎(chǔ)。

  “雖然起步有點晚,但通過10多年的自主研發(fā),我們與國外的技術(shù)差距在逐步縮小。”陳小龍說。作為國內(nèi)碳化硅晶片生產(chǎn)制造的先行者,天科合達(dá)打破了國外壟斷,填補了國內(nèi)空白,生產(chǎn)的碳化硅晶片不僅技術(shù)成熟,還低于國際同類產(chǎn)品價格。

  截至2014年3月,天科合達(dá)形成了一條年產(chǎn)7萬片碳化硅晶片的生產(chǎn)線,促進(jìn)了我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

  陳小龍指出,當(dāng)前碳化硅主要應(yīng)用于三大領(lǐng)域:高亮度LED、電力電子以及先進(jìn)雷達(dá),以后還可能走進(jìn)家用市場,這意味著陳小龍團(tuán)隊的自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化之路還將延續(xù)。

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