低位错密度8英寸导电型 单晶衬底制备

摘 要： 具有优异的物理化学性能，在电动汽车、轨道交通、高压输变电、光伏、5G通讯等领域具有广泛应用价值。8英寸SiC衬底在降低器件单位成本、增加产能供应方面拥有巨大的潜力，成为行业重要的技术发展方向。近期山东大学与广州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（physical vapor transport, PVT）实现了低位错密度8英寸导电型4H-SiC单晶衬底制备，其中螺位错（threading screw dislocation, TSD）密度为0.55 cm^-2，基平面位错（basal plane dislocation, BPD）密度为202 cm^-2。

关  键  词：4H-SiC；8英寸；低位错密度

(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^[1-4]。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^[5-7]，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^[8-9]。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50 cm^-2，BPD密度在800 cm^-2以下，优值小于500 cm^-2 [10]。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。山东大学与南砂晶圆于2022年实现了低微管密度高结晶质量的8英寸导电型4H-SiC单晶和衬底的制备^[8]，近期在8英寸SiC衬底位错缺陷控制方面取得了重大突破，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。图1(a)所示为制备的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。图1(b)为衬底的BPD密度分布图，平均BPD密度为202 cm^-2。图2(a) 给出了TSD密度分布图，平均TSD密度<1 cm^-2。图2(b)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。本研究团队实现了近“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。

图1. 8英寸导电型4H-SiC单晶衬底以及对应的BPD密度分布

图2. TSD密度为0.55 cm^-2的分布图和TSD特征腐蚀坑统计分布

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