不久前，中国科学院物理研究所研究员陈小龙研究组与北京天科合达蓝光半导体有限公司(以下简称天科合达)合作，解决了6英寸扩径技术和晶片加工技术，成功研制出了6英寸碳化硅单晶衬底。

 

从2英寸、3英寸、4英寸到如今的6英寸碳化硅单晶衬底，陈小龙团队花了10多年时间，在国内率先实现了碳化硅单晶衬底自主研发和产业化。

第三代半导体材料

研究人员表示，上世纪五六十年代，硅和锗构成了第一代半导体材料，主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中。相比于锗半导体器件，硅材料制造的半导体器件耐高温和抗辐射性能较好。

到了上世纪60年代后期，95%以上的半导体、99%的集成电路都是用硅半导体材料制造的。直到现在，我们使用的半导体产品大多是基于硅材料的。

进入上世纪90年代后，砷化镓、磷化铟代表了第二代半导体材料，可用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件。因信息高速公路和互联网的兴起，第二代半导体材料被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域。

与前两代半导体材料相比，第三代半导体材料通常又被称为宽禁带半导体材料或高温半导体材料。其中，碳化硅和氮化镓在第三代半导体材料中是发展成熟的代表。

据了解到，碳化硅单晶是一种宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大，临界击穿场强大，热导率高，饱和漂移速度高等诸多特点，被广泛应用于制作高温、高频及大功率电子器件。

关于氮化镓，曾有报道称，一片2英寸的氮化镓晶片，可以生产出1万盏亮度为节能灯10倍、发光效率为节能灯3～4倍、寿命为节能灯10倍的高亮度LED照明灯；也可以制造出5000个平均售价在100美元左右的蓝光激光器；还可以被应用在电力电子器件上，使系统能耗降低30%以上。

由于碳化硅和氮化镓的晶格失配小，碳化硅单晶是氮化镓基LED、肖特基二极管、金氧半场效晶体管等器件的理想衬底材料。物理所先进材料与结构分析实验室陈小龙研究组(功能晶体研究与应用中心)长期从事碳化硅单晶生长研究工作。

大尺寸晶片的突围

虽然用于氮化镓生长最理想的衬底是氮化镓单晶材料，该材料不仅可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，还能提高器件工作寿命、工作电流密度和发光效率。但是，制备氮化镓体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有效的办法。

为此，科研人员在其他衬底(如碳化硅)上生长氮化镓厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。尽管以氮化镓厚膜为衬底的外延，相比在碳化硅材料上外延的氮化镓薄膜，位元错密度要明显低，但价格昂贵。

于是，陈小龙团队选择了碳化硅单晶衬底研究。他指出，碳化硅单晶衬底有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但也有不足，如价格太高。

碳化硅又称金钢砂或耐火砂。碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。碳化硅单晶系第三代高温宽带隙半导体材料。

早年，全球市场上碳化硅晶片价格十分昂贵，一片2英寸碳化硅晶片的国际市场价格曾高达500美元(2006年)，但仍供不应求。高昂的原材料成本占碳化硅半导体器件价格的10%以上，“碳化硅晶片价格已成为第三代半导体产业发展的瓶颈。”陈小龙说。

为了降低器件成本，下游产业对碳化硅单晶衬底提出了大尺寸的要求。因而，采用先进的碳化硅晶体生长技术，实现规模化生产，降低碳化硅晶片生产成本，将促进第三代半导体产业的迅猛发展，拓展市场需求。

天科合达成立于2006年，依托于陈小龙研究团队中在碳化硅领域的研究成果。自成立以来，天科合达研发出碳化硅晶体生长炉和碳化硅晶体生长、加工技术及专业设备，建立了完整的碳化硅晶片生产线。

这些年来，天科合达致力于提高碳化硅晶体的质量，以及大尺寸碳化硅晶体的研发，将先进的碳化硅晶体生长和加工技术产业化，大规模生产和销售具有自主知识产权的碳化硅晶片。

10年自主创新之路

美国科锐公司作为碳化硅衬底提供商，曾长期垄断国际市场。2011年，科锐公司发布了6英寸碳化硅晶体，同年，天科合达才开始量产4英寸碳化硅晶体。

美国在碳化硅晶片技术上遥遥领先，广泛应用于F-22等先进武器

2013年，陈小龙团队开始进行6英寸碳化硅晶体的研发工作，用了近一年的时间，团队研发的国产6英寸碳化硅单晶衬底问世。测试证明，国产6英寸碳化硅晶体的结晶质量很好，该成果标志着物理所碳化硅单晶生长研发工作已达到国际先进水平，可以为高性能碳化硅基电子器件的国产化提供材料基础。

“虽然起步有点晚，但通过10多年的自主研发，我们与国外的技术差距在逐步缩小。”陈小龙说。作为国内碳化硅晶片生产制造的先行者，天科合达打破了国外垄断，填补了国内空白，生产的碳化硅晶片不仅技术成熟，还低于国际同类产品价格。

截至2014年3月，天科合达形成了一条年产7万片碳化硅晶片的生产线，促进了我国第三代半导体产业的持续稳定发展，取得了较好的经济效益和社会效益。

陈小龙指出，当前碳化硅主要应用于三大领域：高亮度LED、电力电子以及先进雷达，以后还可能走进家用市场，这意味着陈小龙团队的自主创新和产业化之路还将延续。