碳化硅外延：為什么非做不可？

碳化硅外延晶片是指在碳化硅襯底的基礎上，經過外延工藝生長出晶格一致、高純度、低缺陷的特定單晶薄膜。碳化硅外延片是制作功率器件的基石和器件發揮效能的核心。與傳統硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導電型碳化硅單晶襯底上使用外延技術生長出高質量的外延材料，然后在外延層上制作各類器件。

來源：天域半導體

01 為何非“外延”不可？

碳化硅襯底無法直接制作器件，原因有二：其一，襯底自身存在各種生長缺陷，無法達到直接制作碳化硅器件的要求。其二，襯底制作工藝導致其很難精確控制摻雜濃度。外延生長技術可以改善襯底缺陷，避免對器件造成致命性影響。同時，外延生長技術也可以精確控制摻雜濃度，提升摻雜濃度均勻性。因此，外延生長技術是碳化硅器件必不可少的環節，外延質量對器件性能影響極大。

02 三大外延技術，誰是主流？

常見的SiC外延技術有化學氣相沉積(CVD)、液相外延生長(LPE)、分子束外延生長(MBE)等，其中CVD是當前的主流技術。

化學氣相沉積(CVD)

CVD外延生長通常使用硅烷和碳氫化合物作為反應氣體，氫氣作為載氣，氯化氫作為輔助氣體，或使用三氯氫硅(TCS)作為硅源代替硅烷和氯化氫，在約1600℃的溫度條件下，反應氣體分解并在SiC襯底表面外延生長SiC薄膜。目前CVD是主流技術，具備較高生長速率、能夠實現可控摻雜調控等優點。其難點在于合理控制成膜條件（氣體流量、壓力、生長溫度、碳硅比等），實現合理改善襯底缺陷和抑制外延生長缺陷產生。

液相外延生長(LPE)

LPE法是將SiC襯底浸入盛放于石墨坩堝中的Si基熔體實現，石墨會有少部分溶解到Si熔體中并輸送到SiC襯底作為碳源。難點在于控制石墨坩堝的雜質摻入，并且材料表面容易形成巨型臺階缺陷。

分子束外延生長(MBE)

MBE法是使用固體源（硅，石墨）或氣體源（硅氫化合物或者碳氫化合物等），難點在于加熱能力有限，利用MBE完成高溫生長技術（高品質4H-SiC需要超過1500℃）較難實現。

03 決定外延片性能的三大關鍵因素

碳化硅外延片的性能主要由厚度、缺陷密度及摻雜濃度等因素決定。外延厚度直接影響碳化硅器件的耐壓能力，而耐壓能力越高，所需的外延層越厚，從而使得生長工藝越復雜。隨著外延厚度增加，應力在外延片內累積，致使缺陷規模呈指數級增長，這會顯著降低芯片良率。此外，厚膜外延通常要求摻雜濃度較低，與傳統厚度產品相比更難以控制均勻性。

厚度：耐壓能力的標尺

碳化硅功率器件的耐壓性能與其外延層的厚度之間存在緊密的關聯。因此，針對半導體器件不同電壓應用范圍，對外延片的厚度進行控制是很重要的一環。

不同的功率器件對外延層厚度有著特定的需求，這些需求主要依據電壓應用場景來定制。隨著外延生長技術的進步，SiC外延層厚度也從幾微米發展到上百微米。常規器件所用外延材料的電壓等級通常介于650V級至3300V級之間。這些器件的外延層厚度通常較薄，大約在5至30微米之間，以適應常規電力電子應用的需求。相反，高壓及超高壓器件所用外延材料的電壓等級高達3300V級至20kV級。該類器件需要較厚的外延層，介于30至200微米，以應對高壓或超高壓應用場景的挑戰。此外，厚度均勻性（實際厚度與平均厚度的偏差越小，產品質量越高）也是衡量外延片品質的重要指標。

摻雜濃度：性能調控的核心

控制外延層的摻雜濃度對SiC功率器件的性能至關重要。在水平式外延生長中，氣體高速流入生長腔室，中心流速高，兩側接近生長腔室邊界的地方流速降低；同時在氣體流動的方向上，隨著反應氣體的消耗，反應氣體的濃度降低，這些現象會引起SiC外延層厚度和濃度的不均勻，進而影響器件的性能。

缺陷控制：良率提升的關鍵

根據晶體缺陷理論，SiC外延材料的主要缺陷可歸納為4大類:點缺陷、位錯(屬于線缺陷)、層錯(屬于面缺陷)和表面缺陷(屬于體缺陷)。

點缺陷主要有硅空位、碳空位、硅碳雙空位等缺陷，它們在禁帶中產生深能級中心，影響材料的載流子壽命；SiC材料的位錯包括螺位錯、刃位錯和基平面位錯。SiC外延層的位錯缺陷基本都和襯底相關；SiC外延層中的層錯缺陷會對器件性能產生不利影響，例如漏電流的增加。降低外延生長速率、原位氫氣刻蝕優化、增加生長溫度、改善襯底質量都可以有效降低層錯數量；SiC外延的表面缺陷與器件性能的影響目前也已經有了較多的研究報道，除淺坑缺陷外，其他表面缺陷基本都會對器件的性能產生一定的不利影響，導致器件擊穿電壓降低或者反向漏流增加。降低淺坑的主要途徑包括:優選襯底位錯數量較少的優質襯底、降低碳硅比和降低外延生長速率。

04 結語

碳化硅外延晶片是碳化硅功率器件從材料走向應用的核心橋梁，也是決定器件性能、可靠性與良率的關鍵載體。作為SiC產業鏈中承上啟下的關鍵環節，外延技術的成熟度與品質把控能力，不僅決定器件的最終表現，更將深刻影響新能源、軌道交通、智能電網等領域的產業化進程。

參考來源：

郭鈺等.碳化硅同質外延質量影響因素的分析與綜述

劉英斌.4H-N型碳化硅外延片濃度均勻性控制技術研究

孫帥.碳化硅摻雜外延生長及缺陷研究

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