【光电集成】碳化硅晶圆产业链的核心：外延技术

碳化硅一般采用PVT方法，温度高达2000多度，且加工周期比较长，产出比较低，因而碳化硅衬底的成本是非常高的。碳化硅外延过程和硅基本上差不多，在温度设计以及设备的结构设计不太一样。在器件制备方面，由于材料的特殊性，器件过程的加工和硅不同的是，采用了高温的工艺，包括高温离子注入、高温氧化以及高温退火工艺。

SiC外延片是SiC产业链条的核心环节

若想最大程度利用碳化硅本身的特性，最为理想的方案便是在碳化硅单晶衬底上生长外延层。碳化硅外延片是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶相同的单晶薄膜（外延层）的碳化硅片。

实际应用中，宽禁带半导体器件几乎都做在外延层上，碳化硅晶片本身只作为衬底。目前我国已研制成功6英寸SiC外延晶片，且基本实现商业化。可满足3.3kV及以下电压等级SiC电力电子器件的研制。但还不能满足研制10kV及以上电压等级器件和研制双极型器件的需求。

SiC外延片关键参数：我们所讲外延的参数其实主要取决于器件的设计，比如说根据器件的电压档级的不同，外延的参数也不同。一般低压在600伏，我们需要的外延的厚度可能就是6个μm左右，中压1200~1700，我们需要的厚度就是10~15个μm。高压的话1万伏以上，可能就需要100个μm以上。所以随着电压能力的增加，外延厚度随之增加，高质量外延片的制备也就非常难，尤其在高压领域，尤其重要的就是缺陷的控制，其实也是非常大的一个挑战。

SiC外延片制备技术

碳化硅外延两大主要技术发展，应用在设备上。

【1】1980年提出的台阶流生长模型

此对外延的发展、对外延的质量都起到了非常重要的作用。它的出现首先是生长温度，可以在相对低的温度下实现生长，同时对于我们功率器件感兴趣的4H晶型来说，可以实现非常稳定的控制。

【2】引入TCS，实现生长速率的提升

引入TCS可以实现生长速率达到传统的生长速率10倍以上，不光是生产速率得到提升，同时也是质量得到大大的控制，尤其是对于硅滴的控制，所以说对于厚膜外延生长来说是非常有利的。

碳化硅外延中的缺陷其实有很多，因为晶体的不同所以它的缺陷和其它一些晶体的也不太一样。他的缺陷主要包括微管、三角形缺陷、表面的胡萝卜缺陷，还有一些特有的如台阶聚集。基本上很多缺陷都是从衬底中直接复制过来的，所以说衬底的质量、加工的水平对于外延的生长来说，尤其是缺陷的控制是非常重要的。

碳化硅外延缺陷一般分为致命性和非致命性：致命性缺陷像三角形缺陷，滴落物，对所有的器件类型都有影响，包括二极管，MOSFET，双极性器件，影响最大的就是击穿电压，它可以使击穿电压减少20%，甚至跌到90%。非致命性的缺陷比如说一些TSD和TED，对这个二极管可能就没有影响，对MOS、双极器件可能就有寿命的影响，或者有一些漏电的影响，最终会使器件的加工合格率受到影响。控制碳化硅外延缺陷方法：一是谨慎选择碳化硅衬底材料；二是设备选择及国产化；三是工艺技术。

SiC外延技术进展情况

在低、中压领域，目前外延片核心参数厚度、掺杂浓度可以做到相对较优的水平。但在高压领域，目前外延片需要攻克的难关还很多，主要参数指标包括厚度、掺杂浓度的均匀性、三角缺陷等。

在中、低压应用领域，碳化硅外延的技术相对是比较成熟的。基本上可以满足低中压的SBD、JBS、MOS等器件的需求。在高压领域外延的技术发展相对比较滞后。同时，高压器件需要的厚膜方面，目前的缺陷还是比较多的，尤其是三角形缺陷，缺陷多主要影响大电流的器件制备。大电流需要大的芯片面积。同时它的少子寿命目前也比较低。

在高压方面的话，器件的类型趋向于使用于双极器件，对少子寿命要求比较高，从右面这个图我们可以看到，要达到一个理想的正向电流它的少子寿命至少要达到5μs以上，目前的外延片的少子寿命的参数大概在1~2个μs左右，所以说还对高压器件的需求目前来说还没法满足，还需要后处理技术。

SiC外延片制备设备情况

碳化硅外延材料的主要设备，目前这个市场上主要有四家：

【1】德国的Aixtron：特点是产能比较大；

【2】意大利的LPE，属于单片机，生长速率非常大；

【3】日本的TEL和Nuflare，其设备的价格非常昂贵，其次是双腔体，对提高产量有一定的作用。其中，Nuflare是最近几年推出来的一个非常有特点的设备，其能高速旋转，可以达到一分钟1000转，这对外延的均匀性是非常有利的。同时它的气流方向不同于其他设备，是垂直向下的，所以它可以避免一些颗粒物的产生，减少滴落到片子上的概率。

应用领域

从终端应用层上来看在碳化硅材料在高铁、汽车电子、智能电网、光伏逆变、工业机电、数据中心、白色家电、消费电子、5G通信、次世代显示等领域有着广泛的应用，市场潜力巨大。在应用上，分为低压、中压和高压领域：

电动车是碳化硅的最佳应用场景，丰田的电驱动模块（电动车的核心部件），碳化硅的器件比硅基IGBT的体积缩小了50%甚至更多，同时能量密度也比硅基IGBT高很多。这也是很多厂商倾向于使用碳化硅的原因，可以优化零部件在车上的布置，节省更多的空间。

来源：半导体封装工程师之家

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