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(duì)花了10多年時(shí)間，在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了碳化硅單晶襯底自主研發(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)和晶片加工技術(shù),，成功研制出了6英寸碳化硅單晶襯底,。

　　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(duì)花了10多年時(shí)間，在國內(nèi)率先實(shí)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(dòng)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(diǎn)，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(bào)道稱,，一片2英寸的氮化鎵晶片,，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(gè)平均售價(jià)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(shí)驗(yàn)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

　　大尺寸晶片的突圍

　　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(cuò)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(shí)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(cuò)密度要明顯低，但價(jià)格昂貴,。

　　于是,，陳小龍團(tuán)隊(duì)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(diǎn),，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(jià)格太高,。

　　早年，全球市場上碳化硅晶片價(jià)格十分昂貴,，一片2英寸碳化硅晶片的國際市場價(jià)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(jià)格的10%以上,，“碳化硅晶片價(jià)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(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(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(duì)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(diǎn)，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(duì)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(shí)間,，團(tuán)隊(duì)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(diǎn)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(bǔ)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(jià)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(duì)的自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化之路還將延續(xù),。