国产三代半导体材料新突破,中科院成功制备 8 英寸碳化硅晶体

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碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，在功率半导体等领域具有巨大应用潜力，但长期以来面临大尺寸晶体制备的工艺难题，碳化硅单晶衬底在器件成本中占比也高达近 50%。

近期，中科院物理研究所科研人员通过优化生长工艺，改善晶体结晶质量，成功制备单一 4H 晶型的 8 英寸碳化硅（SiC）晶体，并加工出厚度约 2mm 的 8 英寸 SiC 晶片，实现了国产大尺寸碳化硅单晶衬底的突破。

中科院方面表示，该成果转化后，将有助于增强我国在 SiC 单晶衬底的国际竞争力。

在已有的研究基础上，2017 年，陈小龙研究员、博士生杨乃吉、李辉副研究员、王文军主任工程师等开始 8 英寸 SiC 晶体的研究，通过持续攻关，掌握了 8 英寸生长室温场分布和高温气相输运特点，以 6 英寸 SiC 为籽晶，设计了有利于 SiC 扩径生长的装置，解决了扩径生长过程中籽晶边缘多晶形核问题；设计了新型生长装置，提高了原料输运效率；通过多次迭代，逐步扩大 SiC 晶体的尺寸；通过改进退火工艺，减小了晶体中的应力从而抑制了晶体开裂。2021 年 10 月在自研的衬底上初步生长出了 8 英寸 SiC 晶体。

研发团队通过优化生长工艺，进一步解决了多型相变问题，持续改善晶体结晶质量，成功生长出了单一 4H 晶型的 8 英寸 SiC 晶体，晶坯厚度接近 19.6 mm，加工出了厚度约 2mm 的 8 英寸 SiC 晶片并对其进行了相关测试。

Raman 散射图谱和 X 射线摇摆曲线测试结果表明生长的 8 英寸 SiC 为 4H 晶型；(0004) 面的半高宽平均值为 46.8 arcsec。相关工作已申请了三项中国发明专利。

8 英寸 SiC 导电单晶研制成功是物理所在宽禁带半导体领域取得的又一个标志性进展，研发成果转化后，将有助于增强我国在 SiC 单晶衬底的国际竞争力，促进我国宽禁带半导体产业的快速发展。

以上工作得到了科技部、新疆生产建设兵团、国家自然科学基金委、北京市科委、工信部、中国科学院等部门的大力支持。