碳化硅功率器件與傳統硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。

碳化硅一般采用PVT方法，溫度高達2000多度，且加工周期比較長，產出比較低，因而碳化硅襯底的成本是非常高的。碳化硅外延過程和硅基本上差不多，在溫度設計以及設備的結構設計不太一樣。在器件制備方面，由于材料的特殊性，器件過程的加工和硅不同的是，采用了高溫的工藝，包括高溫離子注入、高溫氧化以及高溫退火工藝。

SiC外延片是SiC產業鏈條的核心環節

若想最大程度利用碳化硅本身的特性，最為理想的方案便是在碳化硅單晶襯底上生長外延層。碳化硅外延片是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。

實際應用中，寬禁帶半導體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底。目前我國已研制成功6英寸SiC外延晶片，且基本實現商業化。可滿足3.3kV及以下電壓等級SiC電力電子器件的研制。但還不能滿足研制10kV及以上電壓等級器件和研制雙極型器件的需求。

SiC外延片關鍵參數：我們所講外延的參數其實主要取決于器件的設計，比如說根據器件的電壓檔級的不同，外延的參數也不同。一般低壓在600伏，我們需要的外延的厚度可能就是6個μm左右，中壓1200~1700，我們需要的厚度就是10~15個μm。高壓的話1萬伏以上，可能就需要100個μm以上。所以隨著電壓能力的增加，外延厚度隨之增加，高質量外延片的制備也就非常難，尤其在高壓領域，尤其重要的就是缺陷的控制，其實也是非常大的一個挑戰。

SiC外延片制備技術

碳化硅外延兩大主要技術發展，應用在設備上。

【1】1980年提出的臺階流生長模型

此對外延的發展、對外延的質量都起到了非常重要的作用。它的出現首先是生長溫度，可以在相對低的溫度下實現生長，同時對于我們功率器件感興趣的4H晶型來說，可以實現非常穩定的控制。

【2】引入TCS，實現生長速率的提升

引入TCS可以實現生長速率達到傳統的生長速率10倍以上，不光是生產速率得到提升，同時也是質量得到大大的控制，尤其是對于硅滴的控制，所以說對于厚膜外延生長來說是非常有利的。

碳化硅外延中的缺陷其實有很多，因為晶體的不同所以它的缺陷和其它一些晶體的也不太一樣。他的缺陷主要包括微管、三角形缺陷、表面的胡蘿卜缺陷，還有一些特有的如臺階聚集。基本上很多缺陷都是從襯底中直接復制過來的，所以說襯底的質量、加工的水平對于外延的生長來說，尤其是缺陷的控制是非常重要的。

碳化硅外延缺陷一般分為致命性和非致命性：致命性缺陷像三角形缺陷，滴落物，對所有的器件類型都有影響，包括二極管，MOSFET，雙極性器件，影響最大的就是擊穿電壓，它可以使擊穿電壓減少20%，甚至跌到90%。非致命性的缺陷比如說一些TSD和TED，對這個二極管可能就沒有影響，對MOS、雙極器件可能就有壽命的影響，或者有一些漏電的影響，最終會使器件的加工合格率受到影響。控制碳化硅外延缺陷方法：一是謹慎選擇碳化硅襯底材料；二是設備選擇及國產化；三是工藝技術。

SiC外延技術進展情況

在低、中壓領域，目前外延片核心參數厚度、摻雜濃度可以做到相對較優的水平。但在高壓領域，目前外延片需要攻克的難關還很多，主要參數指標包括厚度、摻雜濃度的均勻性、三角缺陷等。

在中、低壓應用領域，碳化硅外延的技術相對是比較成熟的。基本上可以滿足低中壓的SBD、JBS、MOS等器件的需求。在高壓領域外延的技術發展相對比較滯后。同時，高壓器件需要的厚膜方面，目前的缺陷還是比較多的，尤其是三角形缺陷，缺陷多主要影響大電流的器件制備。大電流需要大的芯片面積。同時它的少子壽命目前也比較低。

在高壓方面的話，器件的類型趨向于使用于雙極器件，對少子壽命要求比較高，從右面這個圖我們可以看到，要達到一個理想的正向電流它的少子壽命至少要達到5μs以上，目前的外延片的少子壽命的參數大概在1~2個μs左右，所以說還對高壓器件的需求目前來說還沒法滿足，還需要后處理技術。

SiC外延片制備設備情況

碳化硅外延材料的主要設備，目前這個市場上主要有四家：

【1】德國的Aixtron：特點是產能比較大；

【2】意大利的LPE，屬于單片機，生長速率非常大；

【3】日本的TEL和Nuflare，其設備的價格非常昂貴，其次是雙腔體，對提高產量有一定的作用。其中，Nuflare是最近幾年推出來的一個非常有特點的設備，其能高速旋轉，可以達到一分鐘1000轉，這對外延的均勻性是非常有利的。同時它的氣流方向不同于其他設備，是垂直向下的，所以它可以避免一些顆粒物的產生，減少滴落到片子上的概率。

應用領域

從終端應用層上來看在碳化硅材料在高鐵、汽車電子、智能電網、光伏逆變、工業機電、數據中心、白色家電、消費電子、5G通信、次世代顯示等領域有著廣泛的應用，市場潛力巨大。在應用上，分為低壓、中壓和高壓領域：

低壓領域

主要是針對一些消費電子，比如說PFC、電源；舉例子：小米和華為推出來快速充電器，所采用的器件就是氮化鎵器件。

中壓領域

主要是汽車電子和3300V以上的軌道交通和電網系統。舉例子：特斯拉是使用碳化硅器件最早的一個汽車制造商，使用的型號是model3。

中低壓領域

碳化硅已經有非常成熟的二極管和MOSFET產品在市場當中推廣應用。

高壓領域

碳化硅有著獨一無二的優勢。但迄今為止，在高壓領域現在還沒有一個成熟的產品的推出，全球都在處于研發的階段。

電動車是碳化硅的最佳應用場景，豐田的電驅動模塊（電動車的核心部件），碳化硅的器件比硅基IGBT的體積縮小了50%甚至更多，同時能量密度也比硅基IGBT高很多。這也是很多廠商傾向于使用碳化硅的原因，可以優化零部件在車上的布置，節省更多的空間。

來源：半導體封裝工程師之家

審核編輯：湯梓紅