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碳化硅外延晶片行業(yè)定義、技術水平及特點
思瀚產業(yè)研究院 天成電子    2024-01-10

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。由于采用升華法制備的單晶襯底無法實現對載流子濃度的精密控制，且無法有效降低晶體缺陷，因此需要在襯底上生長高質量的外延層方可用于器件制造，即外延生長技術是碳化硅器件必不可少的環(huán)節(jié)，外延質量對器件性能影響極大。

① 外延晶片類別

按照晶格堆垛結構的不同，常見的碳化硅單晶材料（襯底和外延）主要包括以下三種晶型：3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC。由于原子堆垛結構的差異，導致 4H-SiC 在垂直型方向擁有更高的臨界電場強度、電子遷移率和更低的導電各向異性，因此 4H-SiC 更適合商業(yè)化的垂直型功率器件（SBD 和 MOSFET），對應 SBD 和 MOSFET 器件特性也優(yōu)于 3C-SiC 和 6H-SiC 單極型器件的理論極限。

按照電學性能不同，碳化硅單晶材料可分為導電型和半絕緣型兩種，通常導電型對應同質外延、半絕緣型對應異質外延，其中同質外延指導電型碳化硅襯底搭配碳化硅外延，進一步制成 SBD、MOSFET 等功率器件，主要應用于電子電力領域，例如新能源汽車中的逆變器、轉換器、電機驅動器和車載充電機等。異質外延指半絕緣型碳化硅襯底搭配氮化鎵外延，可進一步制成 HEMT 等微波射頻器件，該外延晶片適用于高頻、高溫工作環(huán)境，主要應用于射頻領域。

在導電型碳化硅材料中，根據摻雜元素的不同，可以區(qū)分 N 型、P 型和 PN 多層材

料。

（1）N 型碳化硅外延晶片是在生長外延層的過程中使用氮（N）元素進行摻雜形成。氮與硅結合后多出一個自由電子，為其導電性的主要來源。

（2）P 型碳化硅外延晶片是在生長外延層的過程中使用鋁（Al）元素進行摻雜形成。鋁和碳結合后，會缺失一個電子，形成空穴，而空穴吸引束縛電子移動使得 P 型碳化硅外延晶片具有導電性。

（3）PN 多層碳化硅外延晶片是指在襯底上生長兩層或數層外延，每層外延生長分別用氮元素或鋁元素進行摻雜，形成 N 型、P 型外延層疊加的結構。N 型碳化硅同質外延晶片是碳化硅功率器件廠商主要使用的型號，應用于新能源車、光伏、工業(yè)電源領域所需碳化硅功率器件（如 SBD 與 MOSFET）的工業(yè)化生產；P 型和 PN 多層碳化硅同質外延晶片，由于物理特性（例如 P 型垂直方向載流子遷移速率較低）和行業(yè)應用領域（例如智能電網應用的雙極型超高耐壓器件）仍需開發(fā)，行業(yè)內出貨量較少。

② 外延晶片制備方法

現階段碳化硅外延制備主要通過化學氣相沉積（CVD）方法。CVD 法可以有效控制生長過程中氣體源流量、反應室溫度以及壓力，改變成膜環(huán)境，可以精準控制外延生長參數，具有重復性良好，設備體積適中的優(yōu)良特點，成為商業(yè)化碳化硅外延生長技術中短期內的主流生長技術。理論上液相外延法和分子束外延法也可以生長碳化硅外延片，但是上述兩種方法所生長外延片質量、效率、成本均大幅落后于 CVD 法，不適合應用于商業(yè)化生長。