山东大学与南砂晶圆团队在8英寸SiC衬底位错缺陷控制方面取得重大突破

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。

8英寸导电型4H-SiC衬底

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

—— 作 者 简 介 ——

团队带头人：

徐现刚

山东大学新一代半导体材料研究院主任

徐现刚，教授，凝聚态物理、半导体材料学教授，博士生导师，教育部长江计划特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，泰山学者特聘专家，科技部973国家重点基础研发计划首席科学家，核心基础元器件重大专项负责人。国家863计划半导体照明工程重大项目总体专家组专家，享受国务院政府特殊津贴专家，获得山东省科技进步一等奖，国防科学技术进步一等奖，山东省技术发明一等奖，以及第十届“山东省优秀科技工作者”荣誉称号。

现任山东大学新一代半导体材料研究院主任。国务院学位委员会委员、中国晶体学会理事、弱光非线性光子学教育部重点实验室学术委员会委员、中国光学光电子行业协会光电器件分会特聘专家、中国青年科技工作者协会会员。在国内外发表论文400余篇，被引4000余次。国家授权发明专利100余项。

通讯作者：

陈秀芳

山东大学教授

陈秀芳，山东大学教授，博士生导师，主要从事宽带隙碳化硅等半导体材料研究，取得一系列重要应用型科研成果，先后主持承担了国家科技重大专项、973计划、预研项目、国家重点研发计划、山东省自主创新重大专项等20余项国家及省部级项目。在国内外学术刊物上发表论文50余篇，申请和获得授权发明专利30余项。获得“教育部长江计划特岗教授”荣誉称号，“山东省技术发明一等奖”、“国家自然科学基金优秀青年基金”、“山东省自然科学杰出青年基金”等。

第一作者：

熊希希

山东大学新一代半导体材料研究院博士

广州南砂晶圆半导体技术有限公司简介：

广州南砂晶圆半导体技术有限公司成立于广州市南沙自贸区，是聚焦碳化硅单晶材料的高新技术企业。早年在蒋民华院士的指导下，长江学者徐现刚特聘教授带领团队历经多年研发，成功突破了碳化硅单晶生长及衬底制备技术，为碳化硅衬底的国产商业化奠定了良好基础。项目规划总投资9亿元，预计实现年产碳化硅衬底晶片20万片。

公司在规划自有厂房的同时，已经在南沙珠江工业园建设约 3000平方米厂房，先后投入1亿元购置晶体生长炉和相关衬底加工设备，力争以最快速度实现产业化。产品以4英寸、6英寸导电和半绝缘SiC衬底为主，以后将视市场需求不断丰富产品线。第三代半导体材料作为新基建的战略性材料，公司将立足粤港澳大湾区，力争发展成为全国乃至全球驰名的碳化硅半导体公司。

信息来源：山东大学晶体材料国家重点实验室、《无机材料学报》