山大与南砂晶圆团队在8英寸SiC衬底位错缺陷控制方面的突破

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料, 具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高热导率、强化学稳定性等优良特性，在电动汽车、轨道交通、高压输变电、光伏、5G 通讯等领域具有重大应用价值。在新能源产业强劲需求下，全球 SiC 产业步入高速成长期，推升了对 SiC 衬底产能的需求。目前商用 SiC 衬底尺寸仍以 6 英寸为主，扩大 SiC 衬底尺寸是增加产能供给、降低成本的重要途径之一。

近年来 SiC 衬底厂商加速推进 8 英寸衬底的研发和量产进度，以抢占 8 英寸先机。行业龙头美国Wolfspeed 最早在 2015 年展示了 8 英寸 SiC 样品，2022 年 4 月，Wolfspeed 启动了全球首家 8 英寸 SiC晶圆厂。虽然起步时间相对于国外较晚，国内 8 英寸 SiC 衬底研究近年来取得了显著进展，2022 年多家单位公布 8 英寸导电型 4H-SiC 产品开发成功，包括山东大学、广州南砂晶圆、中科院物理研究所、山东天岳先进、山西烁科晶体、北京天科合达等单位。

8 英寸与 6 英寸 SiC 晶圆的制造工艺有很大差别，当尺寸扩展到 8 英寸之后，热应力增大，缺陷控制更加困难，尤其是位错缺陷的控制与 6 英寸相比还有一定差距。

目前商用 6 英寸导电型 4H-SiC衬底的 TSD 密度控制在 200 cm-2 以下，优值小于 50cm-2，BPD 密度在 800 cm-2 以下，优值小于 500 cm-2。8 英寸 SiC 衬底要实现量产，提升市场份额，需要进一步降低位错缺陷密度，达到 6 英寸 SiC 衬底的位错缺陷水平，尤其是对器件性能影响较大的TSD 和 BPD。

近期，山东大学与南砂晶圆半导体技术有限公司在8英寸SiC衬底位错缺陷控制方面取得了重大突破，使用物理气相传输法实现了近“零螺位错（TSD）”密度和低基平面位错（BPD）密度的8英寸导电型4H-SiC单晶衬底制备，其中螺位错密度为0.55 cm-2，基平面位错密度为202 cm-2。

并以“低位错密度 8 英寸导电型碳化硅单晶衬底制备（Fabrication of 8-inch N-type 4H-SiC Single Crystal Substrate with Low Dislocation Density）”为题在《无机材料学报》发表（DOI: 10.15541/jim20230325）。
 

8英寸导电型4H-SiC单晶衬底的螺位错和基平面位错密度及其分布

为制备的 8 英寸导电型 4H-SiC 单晶衬底，使用熔融 KOH 对衬底进行选择性蚀刻，统计 BPD 和TSD 对应的特征腐蚀坑数量，计算 BPD 和 TSD 密度。为衬底的 BPD 密度分布图，平均 BPD密度为 202 cm-2。上图给出了 TSD 密度分布图，平均 TSD 密度<1 cm-2。为不同尺寸 TSD 腐蚀坑对应的数量，其中 TSD 数量总计 42 个，测试点数 1564 个，每个点对应面积 0.0489 cm2，因此TSD 密度=42/(1564×0.0489cm2)=0.55 cm-2。

研究团队实现了近“零 TSD”和低 BPD 密度的 8 英寸导电型 4H-SiC 单晶衬底制备，8 英寸 SiC 单晶衬底位错缺陷的有效控制，有助于加快国产 8 英寸导电型4H-SiC 衬底的产业化进程，提升市场竞争力。

作者：(熊希希，杨祥龙，陈秀芳，李晓蒙 ，谢雪健 ，胡国杰 ，彭燕 ，胡小波 ，徐现刚 )山东大学 晶体材料国家重点实验室，新一代半导体材料研究院；（于国建，王垚浩 ）广州南砂晶圆半导体技术有限公司

审核编辑：刘清