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LED新技術(shù):我國成功研制出6英寸碳化硅晶片

字體變大  字體變小 發(fā)布日期:2015-01-14  瀏覽次數(shù):615
核心提示:我國成功研制出6英寸碳化硅晶片,年產(chǎn)7萬片

不久前,中國科學(xué)院物理研究所研究員陳小龍研究組與北京天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司(以下簡(jiǎn)稱天科合達(dá))合作,解決了6英寸擴(kuò)徑技術(shù)和晶片加工技術(shù),成功研制出了6英寸碳化硅單晶襯底。

 

我國碳化硅晶片研發(fā)取得新突破

 

從2英寸、3英寸、4英寸到如今的6英寸碳化硅單晶襯底,陳小龍團(tuán)隊(duì)花了10多年時(shí)間,在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了碳化硅單晶襯底自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

 

第三代半導(dǎo)體材料

 

研究人員表示,上世紀(jì)五六十年代,硅和鍺構(gòu)成了第一代半導(dǎo)體材料,主要應(yīng)用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測(cè)器中。相比于鍺半導(dǎo)體器件,硅材料制造的半導(dǎo)體器件耐高溫和抗輻射性能較好。

 

到了上世紀(jì)60年代后期,95%以上的半導(dǎo)體、99%的集成電路都是用硅半導(dǎo)體材料制造的。直到現(xiàn)在,我們使用的半導(dǎo)體產(chǎn)品大多是基于硅材料的。

 

進(jìn)入上世紀(jì)90年代后,砷化鎵、磷化銦代表了第二代半導(dǎo)體材料,可用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件。因信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起,第二代半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光通信和GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。

 

與前兩代半導(dǎo)體材料相比,第三代半導(dǎo)體材料通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料或高溫半導(dǎo)體材料。其中,碳化硅和氮化鎵在第三代半導(dǎo)體材料中是發(fā)展成熟的代表。

 

據(jù)了解到,碳化硅單晶是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料,具有禁帶寬度大,臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)大,熱導(dǎo)率高,飽和漂移速度高等諸多特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于制作高溫、高頻及大功率電子器件。

 

關(guān)于氮化鎵,曾有報(bào)道稱,一片2英寸的氮化鎵晶片,可以生產(chǎn)出1萬盞亮度為節(jié)能燈10倍、發(fā)光效率為節(jié)能燈3~4倍、壽命為節(jié)能燈10倍的高亮度LED照明燈;也可以制造出5000個(gè)平均售價(jià)在100美元左右的藍(lán)光激光器;還可以被應(yīng)用在電力電子器件上,使系統(tǒng)能耗降低30%以上。

 

由于碳化硅和氮化鎵的晶格失配小,碳化硅單晶是氮化鎵基LED、肖特基二極管、金氧半場(chǎng)效晶體管等器件的理想襯底材料。物理所先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室陳小龍研究組(功能晶體研究與應(yīng)用中心)長(zhǎng)期從事碳化硅單晶生長(zhǎng)研究工作。

 

大尺寸晶片的突圍

 

雖然用于氮化鎵生長(zhǎng)最理想的襯底是氮化鎵單晶材料,該材料不僅可以大大提高外延膜的晶體質(zhì)量,降低位錯(cuò)密度,還能提高器件工作壽命、工作電流密度和發(fā)光效率。但是,制備氮化鎵體單晶材料非常困難,到目前為止尚未有行之有效的辦法。

 

為此,科研人員在其他襯底(如碳化硅)上生長(zhǎng)氮化鎵厚膜,然后通過剝離技術(shù)實(shí)現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離,分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。盡管以氮化鎵厚膜為襯底的外延,相比在碳化硅材料上外延的氮化鎵薄膜,位元錯(cuò)密度要明顯低,但價(jià)格昂貴。

 

于是,陳小龍團(tuán)隊(duì)選擇了碳化硅單晶襯底研究。他指出,碳化硅單晶襯底有許多突出的優(yōu)點(diǎn),如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光等,但也有不足,如價(jià)格太高。

 

碳化硅又稱金鋼砂或耐火砂。碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí)需要加食鹽)等原料在電阻爐內(nèi)經(jīng)高溫冶煉而成。碳化硅單晶系第三代高溫寬帶隙半導(dǎo)體材料。

 

早年,全球市場(chǎng)上碳化硅晶片價(jià)格十分昂貴,一片2英寸碳化硅晶片的國際市場(chǎng)價(jià)格曾高達(dá)500美元(2006年),但仍供不應(yīng)求。高昂的原材料成本占碳化硅半導(dǎo)體器件價(jià)格的10%以上,“碳化硅晶片價(jià)格已成為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。”陳小龍說。

 

為了降低器件成本,下游產(chǎn)業(yè)對(duì)碳化硅單晶襯底提出了大尺寸的要求。因而,采用先進(jìn)的碳化硅晶體生長(zhǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)規(guī);a(chǎn),降低碳化硅晶片生產(chǎn)成本,將促進(jìn)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,拓展市場(chǎng)需求。

 

天科合達(dá)成立于2006年,依托于陳小龍研究團(tuán)隊(duì)中在碳化硅領(lǐng)域的研究成果。自成立以來,天科合達(dá)研發(fā)出碳化硅晶體生長(zhǎng)爐和碳化硅晶體生長(zhǎng)、加工技術(shù)及專業(yè)設(shè)備,建立了完整的碳化硅晶片生產(chǎn)線。

 

這些年來,天科合達(dá)致力于提高碳化硅晶體的質(zhì)量,以及大尺寸碳化硅晶體的研發(fā),將先進(jìn)的碳化硅晶體生長(zhǎng)和加工技術(shù)產(chǎn)業(yè)化,大規(guī)模生產(chǎn)和銷售具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳化硅晶片。

 

10年自主創(chuàng)新之路

 

美國科銳公司作為碳化硅襯底提供商,曾長(zhǎng)期壟斷國際市場(chǎng)。2011年,科銳公司發(fā)布了6英寸碳化硅晶體,同年,天科合達(dá)才開始量產(chǎn)4英寸碳化硅晶體。

 

美國在碳化硅晶片技術(shù)上遙遙領(lǐng)先,廣泛應(yīng)用于F-22等先進(jìn)武器

 

2013年,陳小龍團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)行6英寸碳化硅晶體的研發(fā)工作,用了近一年的時(shí)間,團(tuán)隊(duì)研發(fā)的國產(chǎn)6英寸碳化硅單晶襯底問世。測(cè)試證明,國產(chǎn)6英寸碳化硅晶體的結(jié)晶質(zhì)量很好,該成果標(biāo)志著物理所碳化硅單晶生長(zhǎng)研發(fā)工作已達(dá)到國際先進(jìn)水平,可以為高性能碳化硅基電子器件的國產(chǎn)化提供材料基礎(chǔ)。

 

“雖然起步有點(diǎn)晚,但通過10多年的自主研發(fā),我們與國外的技術(shù)差距在逐步縮小。”陳小龍說。作為國內(nèi)碳化硅晶片生產(chǎn)制造的先行者,天科合達(dá)打破了國外壟斷,填補(bǔ)了國內(nèi)空白,生產(chǎn)的碳化硅晶片不僅技術(shù)成熟,還低于國際同類產(chǎn)品價(jià)格。

 

截至2014年3月,天科合達(dá)形成了一條年產(chǎn)7萬片碳化硅晶片的生產(chǎn)線,促進(jìn)了我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

 

陳小龍指出,當(dāng)前碳化硅主要應(yīng)用于三大領(lǐng)域:高亮度LED、電力電子以及先進(jìn)雷達(dá),以后還可能走進(jìn)家用市場(chǎng),這意味著陳小龍團(tuán)隊(duì)的自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化之路還將延續(xù)。

 
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