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探秘世纪金光“黑碳化硅技术”,解锁国际工艺难题!

发布日期:2018-06-13  浏览次数:79
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   2018年4月,北京世纪金光半导体有限公司研发团队首创性的提出一种经济高效的碳化硅器件表面亚微米减反射结构制作工艺,即“黑碳化硅技术”,并就该技术在APPEEC2018国际会议上发表了题为《Fabrication of broadband antireflective sub-microstructures on 4H-SiC by mesh patterning etching》的文章,引发业界轰动。该文章为EI收录并由澳大利亚出版社开源期刊”Energy and Power Engineering”(ISSN:1949-243X)出版发行。该技术的诞生,成功打破了关于“黑碳化硅技术”工艺难、成本高等国际性技术难题。

  

 

  01

  什么是黑碳化硅技术?

  在SiC晶圆表面刻蚀出大面积亚微米级别(300-700nm为最佳)的纳米结构(包括纳米圆锥,纳米柱,金字塔结构等),可以大幅降低晶圆表面对光的反射,同时增加透射,与硅太阳能电池中的“黑硅”技术类似,这种技术被称为“黑碳化硅”技术。黑碳化硅技术可应用在:(1)3C-SiC中间带太阳能电池IBSC表面减反射,欧洲2013年投资1亿欧元立项研发3C-SiC,作为太空用高效太阳能电池;(2)SiC紫外探测器增强探测效率;(3)作为高功率LED的衬底增强出光效率;(200流明以上的LED只有国外一些厂家能做出来,目前处于垄断状态,且产能严重不足。)

  02

  国际黑碳化硅技术研究状况

  批量生产制作亚微米量级的SiC表面结构很难,欧洲和韩国有几家研究机构一直在尝试,他们通过电子束光刻或者PS乙烯球自组装掩膜刻蚀做出来一些测试结构,但成本很高,且无法大面积大规模制作。

  ●丹麦皇家理工PS乙烯球自组装掩膜刻蚀制作的6H-SiC衬底

  丹麦皇家理工大学组的目的是为了制作出表面有亚微米结构的6H-SiC衬底然后生长GaN外延,制作出高出光效率的高功率LED。该方法工艺复杂成本高,难以制作出大面积均匀结构。

  

 

  ●丹麦/瑞典皇家理工及德国纽伦堡大学的电子束光刻纳米结构

  丹麦皇家理工,瑞典皇家理工及纽伦堡大学组采用电子束光刻方法制作出500nm左右的表面纳米圆锥结构,目的也是作为高出光效率的高功率LED的衬底。该方法非常耗费时间,成本高,无法大规模制作。

  

 

  ●韩国Kwangwoon大学的大凸块+小纳米尖锥结构

  Kwangwoon University,采用光刻后RIE刻蚀方法制作出5um大周期结构+周边200nm左右的表面纳米圆锥结构,目的是高探测效率的紫外探测器。该方法需要光刻,成本高,减反射效果比较差。

  

 

  工艺难、成本高成为国际“黑碳化硅技术”研究的难题!

  03

  探秘世纪金光“黑碳化硅技术”

  针对SiC材料表面经济高效制作大面积亚微米减反射结构的问题,北京世纪金光半导体有限公司器件研发中心的工艺技术团队积极与国外顶级研究机构合作,开展实验研究,开发出一种经济有效的SiC材料器件表面制绒的方法,并通过了实验验证,摸索出一套切实可行的工艺,并拥有自主知识产权,能方便经济的实现SiC材料大面积表面具有被研究小组誉为“Mesh patterning etch fingerprint”的网格状沟槽的亚微米结构构造,降低表面反射率。该网格状表面纳米结构的深度约200-300nm。

  

 

  SEM shows Mesh-pattern-nanostructures on whole 4 inch SiC wafer

  测试表明,该结构可以在390-800 nm的宽波长范围内使SiC器件表面反射平均降低30%以上,该方法无需光刻,只要简单的光刻胶掩蔽直接刻蚀,非常经济高效。

  

 

  AFM test on the Mesh-patternnanostructures

  

 

  Reflectance spectra for bare and ARS SiC substrates

  目前,“世纪金光”通过这种方法已经小批量生产出一些不同规格的具有表面微纳米结构的4H-SiC四六寸单晶片及外延片,并与国内外研究机构合作,尝试利用这种新型SiC材料制作高效率的紫外探测器及中间带太阳能电池,以进一步验证这种SiC亚微米减反射结构材料的性能。


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