▲山東大學晶體材料實驗室、南砂晶圓創始人兼首席科學家徐現剛教授

 

徐現剛教授介紹，碳化硅的熱導率為5，這個數字僅次于金剛石（熱導率22），但遠遠高于砷化鎵，由此可以看到它的熱導率性能非常好；與硅相比，碳化硅的帶隙是前者的3倍，飽和電子速率是前者的2倍，這從物理性質上決定了它有非常好的性質，有很好的應用前景。

 

“碳化硅還有一個優點，那就是它的硬度和金剛石差不多，高達9.8（金剛石是10）。另外，它的光學方面也有很好的優點，也僅次于金剛石。這些優點決定了上世紀50年代在尋找半導體材料的時候，就找到了碳化硅，但由于材料技術和設備的限制，這種材料一直默默無聞，沒有發展起來。但它們在‘高功率、高頻、高溫、高效’方面給我們提供了可能性”。徐現剛教授補充道。

 

徐現剛教授表示，碳化硅材料的發展有一段很悠長的歷史。自1885年瑞典的科學家發明了碳化硅生長裝置以來（這個裝置目前我們還在沿用），我們就在其上把沙子和木炭這樣的核心原材料加熱到1500℃左右，通過導電，引發自蔓延反應，形成碳化硅。

 

碳化硅的原材料來源于沙子，也就是二氧化硅，常用的是高純石英礦。而從碳化硅發明到現在，大部分時間的用途是非單晶的，都是用在磨料、砂輪、陶瓷和纖維上。但在1955年Lely發明了一個后來被稱為“Lely法”的制造工藝之后，碳化硅制造又有了新的選擇。

 

不過，徐現剛教授也直言，傳統的“lely法”生長的難度非常高，這也是導致碳化硅單晶在最近六七十年的發展落后于硅單晶的原因。但在科學家于1978年修正了Lely法后，形成了我們目前常用的第三種方法。

 

他表示：“目前主流的單晶生長方法就是PVT和高溫CVD法，液相法在最近也逐步進入了大家的視線。對于這些制造方法來說，由于其需求的溫度非常高（熔體達到3000℃以上、5000kpa大氣壓以下），所以用傳統長單晶的方法很難實現，帶來了難度的增加。另外，雖然它們都叫碳化硅，但碳化硅還有一個同數據構體，也就是說元素一樣、結構不一樣（現在在自然界可以存在200多種類型），這樣很難控制它的唯一性生長。和傳統的硅單晶相比，碳化硅單晶生長是黑盒子系統，生長過程我們不可看，這些都增加了碳化硅單晶生長的難度。”

 

徐現剛教授介紹說，碳化硅單晶的研究可以分為三個階段：第一階段是90年代光電應用，碳化硅作為襯底，成功應用在光電領域；第二階段是微波電子，我國做的已經不比國外差；第三階段是功率電子應用，希望上下游通力合作，在這方面趕超國外。

 

徐現剛指出，從襯底發展來看，海外廠商在十年前突破了6英寸襯底技術，國際行業龍頭科銳今年成功將8英寸襯底導入量產，全球首條8英寸晶圓工廠已經通線，很快就要建第二個8英寸碳化硅器件生產廠。目前已穩定導入產業。

 

經過30多年的研發，國內碳化硅研究已具備一定條件，可以為器件研發提供襯底材料。在國內“十三五”期間，突破了8英寸襯底量產的關鍵難題，正快速導入量產進程。

 

碳化硅襯底正不斷向大尺寸方向發展，襯底尺寸越大，單位襯底可制造的芯片數量越多，單位芯片成本越低。目前業內主要量產產品集中在4英寸及6英寸，并演化向8英寸。

 

在產業化方面，國內碳化硅企業已完成4-6英寸的升級。徐現剛教授認為：“目前國內已有8英寸碳化硅，與國際差距在2~3年之內，這個差距會越來越小。"