随着器件的飛速發展和應用的不斷的擴展，對于碳化矽材料提出了兩個極大的挑戰。

【分享主題】碳化矽主題報告（二）寬禁帶sic材料研究進展

【分享時間】4月7日（周二）15：00-16：00

【分享嘉賓】彭燕 山東大學副教授

▌以下為整理的分享内容（略有删減）。

大家下午好，我是來自山東大學晶體材料國家重點實驗室的彭燕，非常榮幸收到了第三代半導體産業技術創新戰略聯盟的邀請，給大家分享寬禁帶碳化矽材料的進展。根據聯盟近期的一個安排呢，圍繞碳化矽材料和器件會有一個系列的報告，涵蓋了材料、器件和應用。而我們課題組一直從事的就是碳化矽單晶材料的生長和加工這麼一個環節，所以我就抛磚引玉的給大家介紹一下碳化矽單晶材料。

我的報告分為以下的4個部分，第1個部分是碳化矽材料的性質及其應用。第2個部分是碳化矽的結構和研究曆史。第3個部分是現階段碳化矽材料研發和産業的現狀。第4部分如果時間來得及的話，就簡單的介紹一下我們晶體材料國家重點實驗室。

我們就從第1部分開始。衆所周知，半導體産業發展至今經曆了三個階段，第1個階段就是以矽為代表，集成電路為核心的微電子領域的一個發展階段。第2個在階段就是以砷化镓為代表，其主要的應用是光電子領域和通信領域。第3個階段就是現在寬禁帶半導體材料的一個興起。現在比較成熟的第三代的寬禁帶半導體材料就是氮化镓和碳化矽這麼兩個材料。

從這張圖可以看得很清楚，半導體材料的發展的趨勢，就是禁帶寬度越來越大，從矽材料最初的1.1電子伏特，到砷化镓的1.4電子伏特，再到碳化矽、氮化镓禁帶寬度在3電子伏特左右，再到現在非常熱門的所謂的超寬禁帶半導體材料，禁帶寬度大概在5電子伏特左右，代表材料就有金剛石、氧化鉀和氮化鋁這三個材料。為啥禁帶寬度是這麼一個重要的參數呢？

從基本性質上我們來看一下，寬的禁帶寬度可以提高工作溫度。矽器件的極限工作溫度是600℃，而碳化矽器件的極限工作溫度可以達到1500度以上。如果是個直接帶隙的材料，禁帶寬度對應的就是它的發光波長。砷化镓禁帶寬度1.4，對應的就是一個紅光的範圍。而氮化镓禁帶寬度在3，對應的是一個藍光波段。除了禁帶寬度，碳化矽本身還有一系列優異的物理化學性能，這裡簡單的挑兩個來講一講，碳化矽臨界的擊穿電場是矽材料的10倍，是砷化镓材料的5倍，臨界擊穿電場可以提高碳化矽器件的一個耐壓的容量、工作的頻率、電流的密度，降低整個器件的一個導通的損耗，再加上碳化矽本身熱導率非常的高，和銅基本相當，更是如虎添翼。器件和系統的散熱問題，都會得到有效的解決。當然，現在在超寬禁帶材料中出現了金剛石這麼一個材料，它的熱導率是碳化矽的4倍，電學性質也極其的優異，引起了科研和産業的極大的關注。當然這是另外一波材料的發展了。但是如果我們回過頭來從材料基本性質這個層面去看這個問題，我們就可以看出來材料的基本性質大體上就決定了它所制備的器件的一個基本性能和它應用的一個場景，這也是所謂的一代材料會決定一代器件。

從器件角度我們再稍微比較一下矽的功率器件和碳化矽的功率器件。這裡列舉了兩個簡單的例子，同樣的3千伏的MOSFET的器件，碳化矽的導通電阻是矽材料的1/300，尺寸隻有矽材料的1/10。對于300兆瓦的逆變器系統，碳化矽系統的損耗隻有矽損耗的1/3，從這個比較能看得出來碳化矽器件具備一個更高能效、更高功率密度、更小尺寸和更高可靠性這些優點，特别适用于這種低功耗、小型化、高頻、高功率的應用的場景。

我們反過來再回到碳化矽襯底的應用場景。碳化矽襯底的應用場景其實是有兩個的，一個是電力電子的碳化矽的器件，電力的器件一般采用的就是N型的偏4度的碳化矽襯底材料，在碳化矽襯底材料上進行同質的外延。制備的器件包括肖特基二極管、MOSFET、IGBT等。碳化矽器件的應用場景就很廣泛了，主要集中在一些光伏儲能中的逆變器、數據中心服務器的ups電源、智能電網、充電站等需要轉化效率較高的這麼一個領域。随着近些年電動和混合動力汽車的一個發展，碳化矽也在新的領域迅速的崛起，輻射的産業包括 PV/EV的充電、智能電網等能源領域，汽車的逆變器、基礎設施中的服務器等這些應用場景。在電力電子器件的一個領域，碳化矽功率器件的技術，一直與矽的功率器件是相并存的狀态。碳化矽的優勢前面也都講過了，高功率密度、高溫、高效、體積小，劣勢就是碳化矽的價格相對來說是比較高的。現階段碳化矽二極管器件的價格是矽相當器件的1~2倍，晶體管的價格大約是5倍左右。全碳化矽模塊的IGBT的價格也是3~5倍。但是等我們考慮到整個系統的時候，矽器件的價格優勢就不是特别的明顯，在考慮到長期的運行，能耗和體積、安裝費用等等這些問題的時候，碳化矽的優勢就會體現出來了。這一部分我相信碳化矽器件和應用的專家會有一個更詳細的測算和講解。

除去矽的電力電子器件，碳化矽的電力電子器件和氮化镓的電力電子器件也存在着一個相互競争的關系。碳化矽現在一般認為是應用在功率更高、耐壓更高的那麼一個領域，氮化镓的電壓的範圍是在1200伏以下。碳化矽是從600伏開始到一個更高的領域，600~1200伏是兩者共存的那麼一個區域。

但是從整個功率器件的市場總額來看，碳化矽現階段的功率器件市場的份額還是非常的有限的，具有一個超速發展的空間。Yole預測，碳化矽的功率半導體市場規模的增速每年有30%以上，科研和業界都非常看好碳化矽的器件的發展。

除了電力電子器件,碳化矽材料作為襯底材料還可以應用于氮化镓異質外延。相比于現在通用的藍寶石襯底材料，藍寶石本身跟氮化镓的晶格失配有14%，矽與氮化镓的晶格失配有17%，而碳化矽與氮化镓的晶格失配隻有3.4%，再加上碳化矽本身的熱導率非常的高，特别适用于這種高能效的LED和大功率的氮化镓微波器件。随着5g技術的發展，基于半絕緣碳化矽襯底、氮化镓的這麼一個技術路線，前面已經做了大量的研究的工作，即将進入一個高速的增長期。有報道稱，2019年美國II-VI公司就簽署了一個金額超過1億美元的協議，為無線基站氮化镓射頻功率放大器提供半絕緣的襯底材料。

當然與碳化矽競争的是矽基的氮化镓技術，還有處于研究階段的金剛石級的氮化镓技術，這個在氮化镓的環節，相關專家介紹會比較多，在這就不重複了。

碳化矽材料從材料到應用是一個整個流程的産業鍊，包括很多的環節，其中單晶生長是一個重要的環節，襯底制備也是一個很重要的環節。襯底制備這邊，因為碳化矽本身它硬度比較高，它的切割、研磨、抛光都有很大的難度，等我們把它切割加工完畢之後，就可以在上面進行一個外延的生長，然後再進行一個器件的工藝的工作，最後完成模塊。從這個上面也可以清楚地看到，碳化矽材料本身是處于整個産業鍊的一個上遊的，那也是今天我們主要講的這一部分的内容。

随着器件的飛速發展和應用的不斷的擴展，對于碳化矽材料提出了兩個極大的挑戰。第1個就是碳化矽的襯底現在的價格還是遠遠高于矽和藍寶石襯底的，而且碳化矽襯底的主流直徑隻有4~6英寸，那麼因此現在需要更加成熟的一個生長的技術，來擴大它的尺寸，降低它的價格來提供商用的高可靠性的産品。第2個挑戰就是質量方面的問題。碳化矽位錯密度現在相對來說還是比較高的，在10的二次方到10的四次方這麼一個量級，遠高于現在像矽、砷化镓等等這些材料。本身還存在一些較大的應力，導緻面型參數還是有些問題。這些問題會降低外延材料的質量，降低器件制備的産率，影響器件的可靠性和壽命。除了這些問題之外，還有比方說p型碳化矽襯底的制備，還存在一些技術上的問題。然後還有新的生長技術和新的加工技術，有沒有可能開拓出來，從而進一步的降低碳化矽的成本。

當然相對于氮化镓材料而言，還有其他的超寬禁帶材料而言，碳化矽已經是一個非常成熟的材料了。它的發展曆程非常長，也經曆了很多重要的曆史節點。

早在1824年，瑞典的科學家貝采利烏斯在人工合成金剛石的過程中，他就看到了碳矽鍵這麼一個結構。1885年Acheson用焦炭和矽石的混合物制備出了小尺寸的碳化矽。這個方法也是現階段切割和研磨抛光用的碳化矽粉料制備方法的雛形。1905年法國科學家莫桑在隕石中發現了天然的碳化矽，這也是現階段為什麼碳化矽寶石被稱為莫桑石的原因。1907年美國電子工程師制造出了第一根碳化矽的發光二極管。然而由于碳化矽是一個間接材料，它的發光效率相對來說還是比較低的。因為碳化矽的生長技術非常的複雜，且晶體當中存在着大量的缺陷和多型，碳化矽的發展一度都是停滞的。如果我們反過頭來從時間節點上去看，矽和碳化矽材料差不多是同時被提出來的，但是矽迅速的發展和崛起了，這就是因為它相對來說比較好生長，所以一個材料它是否能被大量的應用很大程度依賴于它能否生長出高質量的材料來。

碳化矽生長技術一直得不到突破，我們就要從碳化矽的基本結構性質來看，碳化矽晶體，它的基本結構為CSi4的這種四面體的結構，矽碳會形成一個雙原子層，雙原子層進行依次的排布就會形成一個晶體，在這種排布過程中會有不同的排列的方法。比方這張圖所示的4H-SiC的話，它就是A、B、C、B這麼一個排列。6H-SiC是A、B、C、A、C、B這麼一個排列。在這種排列過程中，他們的晶格會不同，性質也會不同。在現在的研究中表明碳化矽存在着200多種晶體結構，它的化學計量比都是相同的，但是結構都不同。在衆多的這種結構中，4H-SiC、6H-SiC和15R-SiC是可以得到體塊材料的，3C-SiC是一個薄膜材料。在這些材料單晶生長過程中，由于這些不同的晶型結構是非常的相似的，很容易出現多型。也就是說如果我想得到一片4H-SiC，這裡面就會夾雜着6H和15R的多型。左下角所示它就存在三個不同的晶型的襯底。從這個圖片中我們也可以看到，一旦出現了多型，首先它的光學電學性質就會出現浮動，然後也會夾雜着大量的微管和層錯的産生，對晶體的産率和使用都會帶來不良的影響。

從生長角度再去看。如果我想像矽一樣，利用化學計量比熔體中提拉生長它是不是可行的呢？從這個相圖的分析，我們可以看到，這個條件是非常苛刻的。碳化矽化學計量比的共溶體，隻有在溫度超過3200度，壓力超過10Gpa的時候才能形成。當溫度超過2600度，碳在矽中的溶解度隻有10%。因此碳化矽是沒法用熔體法來進行生長的，人們就另辟了蹊徑用升華法來生長。

1955年Lely就首次提出了這種升華法，他是怎麼做的？他是在一個密封的環境裡面加熱碳化矽粉進行升華，在内壁上結晶。在這個方法當中，結晶質量無法把控，而且會出現大量不同的多型。左側這個圖就是出現在這些不同的晶型，其中比較少見有8H、21R等。1975年俄羅斯的研究學者對Lely法進行了一個改進，他在上方引入了一個籽晶，引入籽晶之後，單晶的生産就更加容易控了。首先它尺寸基本就一定了，然後晶型也相對來說穩定了一些。通過11年的技術的改造和積累，現在基本運用的方法就是右圖下方所示的這麼一個圖，粉料出在底部，籽晶放在上面，加熱之後粉料形成氣流傳輸到頂部進行晶體的生長。這個方法現在已經成為碳化矽的一個标準的生長的方法。

當然前期的研究結果給了我們很多的啟示，比方說在Lely法中，我們得到了溫度與多型結構之間的關系。左邊這張圖就是Lely法中的一個結果，從這個圖中也可以看得很清楚，2000度到3000度這個溫度區間裡面，6H的生長是占據了很大的優勢的。在2000~2400度的時候，有一個小區域在角上，紅箭頭所指的位置是4H碳化矽的生長，通過4H和6H的這種性質的對比，我們也可以看到4H的禁帶寬度相對來說是更寬一點。它的電子遷移率是6H碳化矽的兩倍，是我們更想得到的材料。所以在1994年，Cree推出這種商用的4H碳化矽襯底材料。這一突破性的進展，就立即掀起了碳化矽器件和相關研究的一個熱潮。碳化矽的材料和器件進入了一個快速的發展期。

介紹完曆史和應用之後，重點我們來介紹一下碳化矽單晶的生長研發情況。這一部分也分了兩個部分，第1個部分就是20年以來碳化矽研發和産業到底主要在做些什麼工作。第2個部分是現在我們産業研究的現狀。

現階段碳化矽單晶是有三個生長方法的：PVT、HT-CVD和LPE。PVT當然是最主流的一個方法了，商用的95%以上的碳化矽襯底都是用這種方法生長的。比方說現在主要的廠商Cree、II-VI、Dow Corning和Sicrystal都是用這種方法。

我們來看一下PVT方法的裝置，其實他跟十幾年前基本是一緻的。中間這張圖可以清楚的看到，最外面黑色的是一個加熱的線圈，裡面灰色的是雙層的石英管，中間通着冷卻水來保持整個系統的穩定。再往裡淺藍色的是石墨纖維的保溫材料，再往裡紅色的這部分是石墨坩埚。石墨坩埚是一個封閉的系統，裡面下部放着粉料，上面放着籽晶，石墨坩埚即是生長的容器也是加熱器。在生長開始的時候，我們先把腔體密封從常壓的狀态降到真空的一個狀态排空裡面的空氣，然後充入載氣，一般現在采用的都是氩氣，升溫到生長溫度，然後再降壓，然後就開始了生長。一般而言，原料的溫度在2300度到2500度，籽晶的溫度大概在2000多到2400多，壓力一般采用的是0.1~300千帕這麼一個量級，生長的速率大約是在50微米到幾百微米。碳化矽粉料在高溫和低壓的情況下，它進行升華，産生的氣相物質在溫度梯度的驅動下，達到溫度較低的籽晶進行結晶和生長。雖然整個方法稱為PVT法，也就是物理氣相傳輸法，但是生長過程中涉及到了多個複雜的化學的反應，它本身整個腔體是密封的，溫度很高，僅在坩埚的上下蓋處有兩個測溫的點，而石墨坩埚内部反應和生長都是無法觀測的。

整個生長系統是一個黑匣子，生長系統中的這種溫度分布、氣流分布、物質傳輸、生長界面和粉料的變化都很難去觀測。所以理論分析一度是碳化矽生長研究的一個熱點，涉及到了一些熱力學、質量傳輸、表面動力學等内容。

我們從熱力學的分析開始，是通過吉布斯自由能的變化反應平衡常數的計算得到反映物種及其平衡式的一個蒸汽壓。在矽碳的系統中，含有了很多的物質，現在知道的有12種，主要的是Si、Si2C和SiC2。右側就是計算的一個結果。從這個結果我們也可以看得出來，随着溫度的變化各種物體的分壓是不同的，而且物質分壓會随着溫度變化不停的在變化，如果我們把矽和碳單獨抽出來看一下的話，矽和碳的并不是滿足化學計量比的，而且是随着溫度的升高，碳的比例越來越大，熱力學計算隻給出了反應的趨勢，物質是如何達到生長界面的，這就屬于物質輸運的一個工作範圍了。

生長溫場的構建，會形成一個原料和籽晶之間的溫度差，粉料會進行升華，這個也會形成一個物質的濃度差，從而物質就會從粉料輸運到籽晶的表面進行一個生長。輸運是非常複雜的過程，裡面涉及到了一些溫度、壓力，各種氣體之間的互相的作用，影響最大的當然就是溫度的一個分布了。從有限元的計算中，我們可以看出整個腔體的溫度的分布的情況。我們把籽晶的這一部分單獨挑出來放大看，可以看到在籽晶上面就存在着一個徑向的溫度梯度差，當然粉料中它會有一些軸向的溫度梯度差。如果我們去改變腔體的結構、改變保溫，會極大的影響溫度的分布。中間下面這個白色的圖是一個系列的模拟的工作，我們改變了保溫的厚度，從加熱功率到籽晶處的溫度分布到料内的溫度分布，都發生了一個改變，從而會進一步的影響熱力學和輸運的過程。與此同時，随着生長時間的變化，整個系統中是一個動态的變化，溫度分布、輸運的途徑，碳矽比都會發生變化。我們來看一下動圖，在長達80個小時的生長過程中粉料的形态和物質傳輸的途徑都發生了改變，因此碳化矽生長是一個無比複雜、動态發展的這麼一個生長過程。所以采用有限元的模拟的工作，可以給實驗帶來極大的指導。

當物質輸運到界面以後，還需要一個界面的過程才能進入晶格。而碳化矽本身就是一個典型的螺旋位錯生長的一個機制，生長台階起源于界面上的這種位錯露頭點。那台階的運動會形成一個螺旋線，提供源源不斷的生長台階。左邊這三張圖，就是它的生長機制，螺旋位錯形成了非常規則的螺旋線台階，而穩定的台階生長跟物質的吸附和遷移是密不可分的。吸附物質在台階上進行一個定向的遷移，然後進入晶格或者說再解吸附。從能量的角度來看，Kink位置是最穩定的，這也是我們想要的生長模式，會有利于晶型的穩定。而實際上并不是所有傳輸的物質都會進入聽kink位置進行生長，當沉積速率過快，吸附物質會在台面上進行成核，極易産生多型。

基于以上的理論分析，碳化矽中還存在一個很重要的問題就是說如何實現擴徑。不同于矽材料，可以利用這種提拉法的放肩技術去實現小籽晶生長大籽晶。碳化矽擴大直徑的方式是非常的有限的。這幾幅圖是日本學者報道的4英寸籽晶實現5英寸生長的情況。從這個結果來看的話，擴徑部分的應力相對來說還是比較大的。在擴徑部分（0001）的螺旋位錯和微管，會轉變成基平面位錯和層錯。從這些角度來看的話，擴徑是可以實現的，而且擴徑部分是有利于螺旋位錯和微管密度的降低的。

除了穩定生長和直徑的擴大，碳化矽的缺陷也是重要的一個研究的内容。在碳化矽中存在着不同的缺陷、背管、螺位錯、刃位錯、基平面位錯、層錯。随着生長和器件技術的發展，各類缺陷的密度一直在降低，同時各類缺陷在外延材料中的轉化和抑制技術也相應的發展了起來，對産率和器件可靠性的影響也逐步的明确。比如前期一直影響産率和器件性能的微管，随着07年Cree發布了零微管密度的4H-SiC襯底，商用産品的微管密度得到了有效的控制，而螺位錯、刃位錯、基平面位錯，現在這個階段已經降至了10的二次方到10的四次方這麼一個量級。其中BPD對雙極性器件的影響還是比較大的，是現階段主要工作的一個目标。我們逐一的來看一下各類缺陷的一些内容。

2010年以前大家對微管的關注是比較多的，從微管的基本性質到微管的形成機理，到如何觀察微管都有特别多的研究。左邊這張圖是Cree的微管逐年降低的一個情況，我們也可以看到，四英寸的微管降低的速率是遠遠大于三英寸的速率的。現在有報道也可以看得出來，六英寸和200毫米的碳化矽的微管的降低的速度也是非常的快的。右邊的圖是一些測試的結果，上面是AFM顯示的是微管形成的一個生長的台階，同時也再次驗證了微管的直徑與伯格斯矢量之間的關系，證明了微管的本質是超級螺位錯。右側下圖是偏振光下襯底的材料，可以全片觀察到微管的分布情況。右下角X同步輻射也是觀察微管的一個主要手段。附圖是山東大學零微管密度襯底的一個同步輻射的結果。

除了微管，位錯現在是研究的重點，同步輻射、TEM都是常用的觀測的手段。熔融的氫氧化鉀的腐蝕位錯是最為簡單可行的一個方法，可以通過腐蝕坑的大小、深度、形狀去觀察辨别不同的缺陷，統計位錯的分布。而光學觀測和統計，已經成為一個商用的方法。右下II-VI的200毫米碳化矽襯底的一個缺陷的情況。從結果來看的話，缺陷的總數是2.8×103/cm2，基平面位錯已經降低到了1.7×102，代表了現在最優的200毫米的碳化矽襯底的一個研發的情況。

從前期的研究結果來看，碳化矽的缺陷來源有很多的，包括早期經常出現的多型， Si滴還有空洞。現階段的研究表明生長台階的一些交彙、晶體中的應力都會引起位錯的一個增值。如何控制相關的參數從而進一步的降低和控制缺陷是現階段碳化矽生長的主要的工作。

不同的電學性質的碳化矽襯底對應不同的應用的需求。商用的碳化矽襯底現在主要有兩類，一類就是N型導電的碳化矽襯底。前面我們也講了，它是主要用于電力電子器件的制備，要求電阻率要小于30毫歐。一般采用的是偏4度的一個碳化矽襯底材料，其主要的雜質是氮，N型的碳化矽襯底應該說是最成熟的一個商用産品。第二類就是半絕緣碳化矽襯底，半絕緣碳化矽襯底前面也講了是用于異質生長氮化镓薄膜的，對他的要求而言就是電阻要大于10的5次方,制備氮化镓的微波器件，半絕緣襯底分為兩個不同的技術路線，一個是摻雜的，一個就是高純的半絕緣。而對于P型導電的碳化矽襯底，現在的産品是非常少的，還處于研究階段，它的電阻有報道大約是2.5歐，遠高于N型的襯底材料，主要的摻雜劑是鋁。

碳化矽氮的摻雜技術已經相對來說比較成熟了，也比較簡單，隻需要在生長腔體中通入高純的氮氣就可以實現。氮氣的流量、不同的生長面、生長機制、溫度都會影響氮雜質的摻雜。左上這張圖顯示随着氮氣流量在總載氣流量中的比例，從無升高到10%，氮的雜質濃度就從10的17次方增加到10的19次方每立方厘米，超過10%以後繼續提高氮氣的比例的話，摻雜濃度基本就保持不變了，處于一個飽和的狀态。同流量的情況下，碳面的生長更易氮雜質的摻雜。在同晶片中，不同的生長機制會影響氮的雜質濃度，小面位置摻N濃度高。同樣的流量比例的情況下，提高生長腔的生長溫度，氮的摻雜的幾率就會降低。在氮雜質摻雜的研究過程中，對淺能級雜質的特性有了一個很細緻的了解，為下一步半絕緣生長中淺能級雜質的降低提供了思路。

對于半絕緣碳化矽而言，其實是有兩個技術路線的。前面我們講了一個是摻雜半絕緣，另一個是高純半絕緣。兩者的區别就在于摻雜半絕緣是引入過度金屬釩，作為深能級雜質來補償淺能級雜質的。而高純半絕緣本征點缺陷作為深能級的中心來補償淺能級雜質。所以在高純半絕緣中要求有足夠低的淺能級雜質和足夠多的和熱學穩定性的本征電學性。采用EPR、PL、DLTS等技術對碳化矽中的點缺陷進行了一個深入的研究。碳化矽晶體中存在多種的本征點缺陷，比方說Vc、Vsi等等，快速退火技術可以有效的增加點缺陷的濃度。當然高純半絕緣的技術現在仍隻有少數的公司和研究機構所掌握，比如Cree、Norstel還有我們山東大學等等。

下面講一下山東大學晶體材料國家重點實驗室在碳化矽中所做的工作。山東大學的研究工作是在2000年左右開始的，是由蔣民華院士指導，長江學者徐現剛教授為課題負責人開展的工作，組建團隊之後，已經有了将近20年的研究曆史。在這過程中也曆經了幾個重要的節點，比如說04年我們實現了兩寸碳化矽的生長，06年我們攻克了碳化矽的加工的問題，實現了開盒即用的襯底。08年我們自主開始制備碳化矽的單晶爐，09年的時候，我們就從6H的生長轉到4H的生長。到13年的時候，我們實現了6英寸碳化矽的制備，14年實現了高純半絕緣的制備。毫不誇張和毫不謙虛的去講，山東大學的碳化矽的研究曆史，就是國内碳化矽的一個發展的曆程。

下面這張圖，山東大學研制的2~4英寸的晶體和開盒即用的襯底材料，以及6英寸的高純半絕緣晶體和襯底材料。

近兩年山東大學主要研究的工作集中在以下幾個方面，一個就是應力的降低。随着碳化矽直徑的增大，特别是6英寸和8英寸的研制，晶體中的應力問題不僅僅影響基平面位錯，嚴重的情況下甚至會引起開裂等問題。利用中子衍射和全片的應力分析，研究應力集中的區域并計算出應力大小，利用溫場模拟和優化工作，降低了6英寸的開裂的幾率。

第2個主要工作就是位錯密度的降低。我們借鑒氮化镓測向外延的這種生長的技術，采用圖形化籽晶的方法來降低碳化矽襯底中的穿透性位錯。首先利用籽晶背部兩種不同熱導率的物質的一個周期性的分布，調制籽晶表面的一個溫度分布，在預定圖形的位置溫度較低的部分碳化矽就會優先的成核，按照圖形進行選擇性的優先生長。随後進行側向生長。在側向生長的區域，位錯密度會降低1~2個數量級。

第3個工作就是P型碳化矽的摻雜工作，我們采用的是B-Al共摻的這麼一個技術，獲得了高質量、低電阻的一個樣品，比現在商用的p型碳化矽襯底材料電阻率低了一個量級，電阻率在461毫歐，X光的結果顯示半寬僅為50.7arcsec。

還有一個工作就是優化加工工藝，獲得優良的面型的參數和低表面粗糙度的襯底材料。

再一個同時為國内的相關的産業培養了大量的人才，積極推進了碳化矽的産業的進程。并于2018年于廣州南砂晶圓半導體技術有限公司簽訂了一個專利轉讓和産學研合作的協議，現在已經建成了擁有單晶生長爐50台套加工檢測設備20餘台套的一個中式的基地，具備了4-6英寸 N型及半絕緣碳化矽襯底的生産能力。

除去PVT方法、高溫HT-CVD方法也是現在商用的方法之一。産業單位典型的就是瑞典的 Norstel公司。HT-CVD方法的特點就是可以不受限于粉料和坩埚的這種限制，用高純的氣體作為原料，特别适合這種半絕緣襯底制備。

HT-CVD技術的發展，碳化矽中的這種位錯密度也在逐步的降低，已經到了三次方的量級。生長速率從最初的微米量級提高到了毫米量級。但是相比 PVT而言，HT-CVD的成本還相對來說是比較高的。

日本的相關單位一直緻力于這種液相法的生長。液相法的優點，它就是一個近平衡态的生長，可以獲得低缺陷密度的襯底材料。液相法難度前面我們也講過了，矽的溶液中碳的溶解度是非常低的，很難形成化學計量比的熔體。受到這種碳溶解度的限制，生長速率是非常的低的。因此采取的方案就是加入一些金屬催化劑，比如說鋁、钛、鐵等等來增加碳的溶解度。其中鐵基的鐵矽合金可以實現200微米每小時的生長。當然這些金屬的加入會長到晶體裡面去，會影響半導體的特性，這就是另外一個問題了。

液相生長現階段的研究主要集中在以下幾個方面，第1個就是擴徑生長，2019年報道最大的直徑已經到了4英寸。第2個是提高生長速率，報道最高的生長速度可以到760微米每小時。第3個就是它可以有效的降低缺陷的密度。采用一個缺陷密度很高的一個籽晶來生長，晶體中的缺陷密度可以降低到它的1/10，可以實現擴徑部分零螺位錯、零刃位錯的生長。

下一步我們簡單的介紹一下産業的一個現狀。現階段碳化矽的主流廠商的工作集中在2點，第1個就是200毫米的研發和産業化的工作。從2015年開始，Cree、II-VI和Dow Corning都相繼展示了200毫米的碳化矽襯底材料，并着手了200毫米的質量的優化工作。從報道情況來看，最少的微管密度已經降低到0.1個每立方厘米，位錯密度是 10三次方到10的四次方這麼一個量級，基平面位錯最優的可以小于1千個。但是經過5年的發展，200毫米現在仍然處于一個研究的級别，沒有商用的産品。

針對6英寸的碳化矽材料而言，由于市場的需求，2018年、2019年Cree、II-VI等相關的材料制備公司和相關的制備公司簽署了一個長期的供貨合同，并積極的擴大産能，利用并購等方式擴展産業鍊。有關報道稱，Cree拟建造200毫米的碳化矽生産工廠，在2024年完工後，制造産能将會實現30倍的增長。

放眼整個碳化矽的市場，國際廠商仍是主流的供貨商，其中美國Cree、II-VI和Dow Corning為首的廠商，占據了60%以上的襯底市場。亞洲除去日本以外份額占的比例不到4%。單純從技術角度來講，碳化矽的單晶生長具有一個較大的技術門檻。現階段國産産品從直徑、缺陷密度、穩定性等參數上，都與一流的廠商有一定差距。在中美貿易摩擦這種大環境下，國内急需擺脫這種國際的依賴。國内從上到下的政策和部署，都促進了寬禁帶材料的發展。這幾年從材料到器件，技術有了穩步的提高，産業鍊更加的完整，産業規模也在不斷的擴大。碳化矽襯底的公司成立、擴産為國産碳為産業帶來新鮮的血液。國産碳化矽襯底也必将有一個蓬勃發展的時期。

最後用最簡單的語言介紹一下晶體材料國家重點實驗室。

山東大學晶體材料研究工作是始于1958年，在蔣民華院士的帶領下，1984年獲準建立了這種山東大學晶體材料國家重點實驗室。晶體材料國家重點實驗室，一直堅持需求牽引、單晶為本的研究方針。圍繞晶體材料開展大量的研究工作，取得了突出的成果。特别是針對半導體晶體材料的研究，早在84年就開始了布局，2000年開始了生長寬禁帶半導體。

2010年着手布局了超寬禁帶半導體材料。曆經多年的一個積累，2019年獲批教育部第一批集中攻關大平台。新一代的半導體集中攻關大平台，其主要的工作就是解決碳化矽、氮化镓及其他超寬帶半導體金剛石、氧化镓、氮化鋁半導體的核心裝備原材料的研制、晶體的生長、加工及其器件的應用等這些關鍵的問題。

這就是晶體材料國家重點實驗室生長的各類的晶體，囊括了水溶液、溶體生長、氣相生長等多種手段，實現了大KDP、铌酸锂單晶薄膜、非線性光學晶體的生長。2010年以來，積極關注超寬禁帶金剛石、氮化鋁、氧化镓材料的研發，作為山東大學的研發人員，很榮幸能參與到碳化矽半導體的這種研發過程中。

今後在新的平台上會繼續做着自己的研究工作，謝謝大家。

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