中国粉体网讯 碳化硅外延晶片是指在碳化硅衬底的基础上，经过外延工艺生长出晶格一致、高纯度、低缺陷的特定单晶薄膜。碳化硅外延片是制作功率器件的基石和器件发挥效能的核心。与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上，必须在导电型碳化硅单晶衬底上使用外延技术生长出高质量的外延材料，然后在外延层上制作各类器件。
来源：天域半导体
1.为何非“外延”不可？
碳化硅衬底无法直接制作器件，原因有二：其一，衬底自身存在各种生长缺陷，无法达到直接制作碳化硅器件的要求。其二，衬底制作工艺导致其很难精确控制掺杂浓度。外延生长技术可以改善衬底缺陷，避免对器件造成致命性影响。同时，外延生长技术也可以精确控制掺杂浓度，提升掺杂浓度均匀性。因此，外延生长技术是碳化硅器件必不可少的环节，外延质量对器件性能影响极大。
2.三大外延技术，谁是主流？
常见的SiC外延技术有化学气相沉积(CVD)、液相外延生长(LPE)、分子束外延生长(MBE)等，其中CVD是当前的主流技术。
化学气相沉积(CVD)
CVD外延生长通常使用硅烷和碳氢化合物作为反应气体，氢气作为载气，氯化氢作为辅助气体，或使用三氯氢硅(TCS)作为硅源代替硅烷和氯化氢，在约1600℃的温度条件下，反应气体分解并在SiC衬底表面外延生长SiC薄膜。目前CVD是主流技术，具备较高生长速率、能够实现可控掺杂调控等优点。其难点在于合理控制成膜条件（气体流量、压力、生长温度、碳硅比等），实现合理改善衬底缺陷和抑制外延生长缺陷产生。
液相外延生长(LPE)
LPE法是将SiC衬底浸入盛放于石墨坩埚中的Si基熔体实现，石墨会有少部分溶解到Si熔体中并输送到SiC衬底作为碳源。难点在于控制石墨坩埚的杂质掺入，并且材料表面容易形成巨型台阶缺陷。
分子束外延生长(MBE)
MBE法是使用固体源（硅，石墨）或气体源（硅氢化合物或者碳氢化合物等），难点在于加热能力有限，利用MBE完成高温生长技术（高品质4H-SiC需要超过1500℃）较难实现。
3、决定外延片性能的三大关键因素
碳化硅外延片的性能主要由厚度、缺陷密度及掺杂浓度等因素决定。外延厚度直接影响碳化硅器件的耐压能力，而耐压能力越高，所需的外延层越厚，从而使得生长工艺越复杂。随着外延厚度增加，应力在外延片内累积，致使缺陷规模呈指数级增长，这会显著降低芯片良率。此外，厚膜外延通常要求掺杂浓度较低，与传统厚度产品相比更难以控制均匀性。
厚度：耐压能力的标尺
碳化硅功率器件的耐压性能与其外延层的厚度之间存在紧密的关联。因此，针对半导体器件不同电压应用范围，对外延片的厚度进行控制是很重要的一环。
不同的功率器件对外延层厚度有着特定的需求，这些需求主要依据电压应用场景来定制。随着外延生长技术的进步，SiC外延层厚度也从几微米发展到上百微米。常规器件所用外延材料的电压等级通常介于650V级至3300V级之间。这些器件的外延层厚度通常较薄，大约在5至30微米之间，以适应常规电力电子应用的需求。相反，高压及超高压器件所用外延材料的电压等级高达3300V级至20kV级。该类器件需要较厚的外延层，介于30至200微米，以应对高压或超高压应用场景的挑战。此外，厚度均匀性（实际厚度与平均厚度的偏差越小，产品质量越高）也是衡量外延片品质的重要指标。
掺杂浓度：性能调控的核心
控制外延层的掺杂浓度对SiC功率器件的性能至关重要。在水平式外延生长中，气体高速流入生长腔室，中心流速高，两侧接近生长腔室边界的地方流速降低；同时在气体流动的方向上，随着反应气体的消耗，反应气体的浓度降低，这些现象会引起SiC外延层厚度和浓度的不均匀，进而影响器件的性能。
缺陷控制：良率提升的关键
根据晶体缺陷理论，SiC外延材料的主要缺陷可归纳为4大类:点缺陷、位错(属于线缺陷)、层错(属于面缺陷)和表面缺陷(属于体缺陷)。
点缺陷主要有硅空位、碳空位、硅碳双空位等缺陷，它们在禁带中产生深能级中心，影响材料的载流子寿命；SiC材料的位错包括螺位错、刃位错和基平面位错。SiC外延层的位错缺陷基本都和衬底相关；SiC外延层中的层错缺陷会对器件性能产生不利影响，例如漏电流的增加。降低外延生长速率、原位氢气刻蚀优化、增加生长温度、改善衬底质量都可以有效降低层错数量；SiC外延的表面缺陷与器件性能的影响目前也已经有了较多的研究报道，除浅坑缺陷外，其他表面缺陷基本都会对器件的性能产生一定的不利影响，导致器件击穿电压降低或者反向漏流增加。降低浅坑的主要途径包括:优选衬底位错数量较少的优质衬底、降低碳硅比和降低外延生长速率。
4、结语
碳化硅外延晶片是碳化硅功率器件从材料走向应用的核心桥梁，也是决定器件性能、可靠性与良率的关键载体。作为SiC产业链中承上启下的关键环节，外延技术的成熟度与品质把控能力，不仅决定器件的最终表现，更将深刻影响新能源、轨道交通、智能电网等领域的产业化进程。
参考来源：
郭钰等.碳化硅同质外延质量影响因素的分析与综述
刘英斌.4H-N型碳化硅外延片浓度均匀性控制技术研究
孙帅.碳化硅掺杂外延生长及缺陷研究??
瀚天天成、天域半导体招股说明书
（中国粉体网编辑整理/初末）
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