碳化硅是第三代半導體產業發展的重要基礎材料，以其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統的高效率、小型化和輕量化要求，在新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域具有重要應用潛力。然而，碳化硅襯底作為成本最高、技術壁壘最高的環節，其產能卻遠不足以匹配市場需求，碳化硅襯底的革新迫在眉睫。

浙江大學杭州國際科創中心（簡稱科創中心）先進半導體研究院-杭州乾晶半導體聯合實驗室（簡稱聯合實驗室）近期經過系列技術攻關，在大尺寸碳化硅（SiC）單晶生長及其襯底制備方面取得突破，成功生長出厚度達27毫米的8英寸n型碳化硅單晶錠，并加工獲得了8英寸碳化硅襯底片，成功躋身8英寸碳化硅俱樂部，該項技術突破有望顯著降低碳化硅功率器件的成本，助力半導體碳化硅產業的發展。

8英寸碳化硅晶錠

8英寸碳化硅拋光襯底片

集智攻關破解技術難題

近年來，由于電動汽車、5G通訊、直流輸電等領域滲透率不斷增高，對碳化硅器件的需求也不斷增加。目前，全球碳化硅領域依舊以6英寸襯底為主，為增加產能供給、降低成本，擴大碳化硅襯底尺寸是重要途徑之一。

(a) 4H晶型100%(拉曼測試)；

(b) 電阻率分布圖；(c) 拋光襯底片的面型參數

想要擴大襯底尺寸，我們該怎么做？目前，制備大尺寸碳化硅單晶最為成熟的技術就是物理氣相傳輸（PVT）法，該方法的核心是設計和使用適宜的熱場。如何在核心技術上進行精準設計和調控？聯合實驗室團隊提出了自己的思考。針對PVT法，他們提出了多段式電阻加熱的策略，同時結合數值模擬研究設計和優化8英寸碳化硅單晶生長的熱場與工藝手段開展研發工作。簡單來說，就是通過計算機模擬手段，依托人工智能等信息技術去模擬真實實驗場景，“窺探”溫度超兩千攝氏度的單晶生長爐里的“小秘密”，為碳化硅生長創造更好條件。

多段式電阻加熱的數值模擬研究

(B. Xu, et al., Journal of Crystal Growth, 2023, 614, 127238.)

此外，研發團隊也利用反向傳播神經網絡不斷完善碳化硅生產“配方”，厘清徑向溫差、邊緣溫度梯度等熱場參數與晶體生長工藝參數的關系來確定晶體生長的最優條件。

協同創新推進有組織科研

科創中心堅持充分發揮大兵團作戰優勢，推進有組織科研，讓科技創新與產業創新雙向聯動、雙輪驅動。本次項目就是由杭州乾晶半導體有限公司、科創中心先進半導體研究院和浙江大學硅及先進半導體材料全國重點實驗室合作開展，各方充分發揮各自優勢、協同創新、合力攻關， 是打通“前沿研究-技術攻關-成果轉化”全鏈條創新生態的生動實踐。此外，本次項目成果也得到了浙江省2023年“尖兵”研發攻關計劃項目資助。

科創中心先進半導體研究院緊緊圍繞國家重大戰略需求和浙江省戰略性新興產業發展布局開展研究工作。近年來，科研團隊立足自主研發，從基礎研究到應用研究，突破了生長設備、高質量碳化硅晶體生長和加工等關鍵技術，成功制備50 mm厚6英寸碳化硅單晶，研制出高質量的碳化硅晶圓、氧化鎵晶圓等成果。

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杭州乾晶半導體有限公司專注于半導體碳化硅材料，是一家集碳化硅單晶生長、襯底加工和設備開發為一體的高新技術企業，其發展愿景是成為國際知名的半導體材料品牌和標桿企業。

硅及先進半導體材料全國重點實驗室在半導體硅材料的基礎研究、技術開發和成果轉化方面取得了一系列的成果，目前正在積極推進以寬禁帶半導體材料為代表的先進半導體材料研究，力爭掌握相關核心技術，支撐我國半導體產業的發展。

本文來源：浙大杭州科創中心、先進半導體研究院