近日，山东大学徐现刚教授团队在8英寸导电型碳化硅（SiC）单晶衬底制备技术领域取得重要突破。团队与南砂晶圆半导体公司合作，采用物理气相传输法（PVT）扩径制备了8英寸导电型4H-SiC单晶，并加工成厚度520μm的8英寸4H-SiC衬底，经测试表征，衬底微管密度小于0.3/cm2，4H-SiC晶型比例100%，电阻率平均值22mΩ•cm，不均匀性小于4%，衬底(004)面高分辨XRD 5点摇摆曲线半峰宽平均值32.7弧秒，表明衬底具有良好的结晶质量，边缘扩径区域没有小角度晶界缺陷。该成果表明山东大学在大尺寸碳化硅单晶衬底研发方面实现了重要突破，为提升我国在碳化硅领域国际竞争力奠定良好基础。
团队采用6英寸(0001)表面偏向<11-20>方向4°的4H-SiC晶片作为籽晶，基于物理气相传输法( PVT)进行扩径生长，晶体生长过程中温度控制在2100～2300℃，生长压力小于30 mbar。单晶多次迭代扩大直径，最终到达8英寸。晶体扩径生长时，不进行掺杂，背景氮浓度在1017cm-3量级。籽晶直径到达8英寸之后，通过多次晶体生长和加工逐步优化晶体扩径区域的结晶质量，提升8英寸籽晶的品质，直到满足衬底使用要求。
图1：扩径过程中部分籽晶照片
获得高质量8英寸籽晶后，团队持续优化晶体生长温场、流场，控制掺杂均匀性。晶体经过滚圆、磨平面整形后，获得标准直径的8英寸导电型4H-SiC晶锭，再经切割、研磨、抛光后，获得520μm厚度的8英寸导电型4H-SiC衬底，衬底呈均一的绿色，结合拉曼测试，表明衬底中无6H-SiC和15R-SiC等多型夹杂，4H晶型面积比例达到100%。
图2：8英寸导电型4H-SiC晶锭及衬底
团队采用全自动显微镜对8英寸导电型4H-SiC衬底进行面扫描，测试微管密度及分布，微管主要分布在6英寸以外的扩径区域，微管密度小于0.3cm-2，达到衬底使用要求。采用非接触式涡流法电阻率测试仪对衬底的电阻率进行面扫描，电阻率平均值为22mΩ·cm，电阻率不均匀性小于4%。利用高分辨X射线衍射仪对衬底的结晶质量进行表征，沿<11-20>直径方向测试5点，衬底(004)衍射面的5点摇摆曲线均为近对称的单峰，无多峰出现，说明衬底中没有小角度晶界缺陷，5点摇摆曲线半峰宽平均值32.7弧秒，表明衬底具有良好的结晶质量。
图3：8英寸导电型4H-SiC衬底微管（图中红点）分布
图4：8英寸导电型4H-SiC衬底电阻率分布
图5：8英寸4H-SiC衬底（004）面高分辨XRD摇摆曲线(半峰宽平均值为32.7弧秒)
碳化硅作为第三代宽禁带半导体的核心材料之一，具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高热导率、化学稳定性好等优良特性，是制作高压、大功率、高频、高温和抗辐射新型功率半导体器件的理想材料，在电动汽车、轨道交通、高压输变电、光伏、5G通讯等领域具有重要应用潜力。近年来，全球碳化硅领域以6英寸衬底为主，由于电动汽车渗透率不断增高，对碳化硅器件的需求不断增加。为增加产能供给，也为进一步降低碳化硅器件的平均成本，扩大碳化硅衬底尺寸是重要途径之一。为此，业界将目标锁定在8英寸碳化硅衬底上。业界领头羊Wolfspeed（原名Cree）在2015年展示了8英寸碳化硅样品，2019年完成了首批8英寸碳化硅衬底样品的制样，并于今年开始量产8英寸衬底。
在蒋民华院士前瞻布局下，山东大学是国内最早开展碳化硅单晶研发的单位之一，承担了包括“核高基”重大专项、国家重点研发计划在内的战略科技任务，先后攻破了2到6英寸碳化硅单晶生长、加工等关键核心技术，通过技术转让和人才交流，带动了国内碳化硅产业的快速发展，打破了国外技术封锁与产品禁运，保障了关键领域发展急需。
以上工作得到了科技部、教育部、山东省等部门的大力支持。（图/文：杨祥龙等）
