三代半碳化硅（SiC）外延工艺技术的详解；-电子发烧友网

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碳化硅（Silicon Carbide, SiC）作为第三代半导体材料的代表，以其优异的物理和化学特性，在电力电子、光电子、射频器件等领域展现出了巨大的应用潜力。在碳化硅产业链中，外延技术作为连接衬底与器件制造的关键环节，其质量和性能直接决定着碳化硅器件的整体表现。

半导体碳化硅（SiC）“外延”技术详解及供应商报告；

一、碳化硅（SiC）外延技术的简介

外延工艺是整个产业中的一种非常关键的工艺，由于现在所有的器件基本上都是在外延上实现，所以外延的质量对器件的性能是影响是非常大的，但是外延的质量它又受到晶体和衬底。加工的影响，处在一个产业的中间环节，对产业的发展起到非常关键的作用。

碳化硅功率器件与传统硅功率器件制作工艺不同，不能直接制作在碳化硅单晶材料上，必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件。

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。

二、碳化硅（SiC）外延技术的核心地位

碳化硅外延技术是在碳化硅衬底上生长一层高质量的外延层，以实现特定的材料特性。这一层外延层不仅继承了衬底的优良特性，还通过精确控制掺杂浓度、厚度和晶向等参数，为后续的器件制造提供了理想的基础。碳化硅功率器件与传统硅功率器件制作工艺不同，不能直接制作在碳化硅单晶材料上，必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件。因此，外延技术在碳化硅产业链中占据着核心地位。

三、碳化硅（SiC）外延材料的特性及关键参数

1、技术特点

（1）高质量材料生长

碳化硅外延技术能够在衬底上生长出高质量的碳化硅薄膜，确保材料的可靠性和一致性。通过化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）等方法，可以在高温下将碳化硅前体气体在衬底表面化学反应沉积形成外延层。这些方法能够控制碳化硅外延层的生长速率、晶格匹配性和表面质量，从而获得高质量的碳化硅外延片。

（2）定制化生长

外延技术允许根据特定需求进行定制化生长，包括厚度、掺杂和晶向等参数的调控。这种灵活性使得碳化硅外延片能够满足不同应用领域对材料特性的需求。例如，在高压电力电子器件中，需要较厚的外延层以承受高电压；而在高频射频器件中，则需要精确控制掺杂浓度以实现优异的电学性能。

（3）高效散热与耐高温

碳化硅材料具有高热导率和耐高温特性，使得碳化硅外延片在功率电子器件中展现出优异的散热性能。在高温环境下，碳化硅外延片能够保持稳定的物理和化学性能，确保器件的长期可靠性。

2、碳化硅（SiC）材料的特性

（1）材料的性能，即物理性能

禁带宽度大、饱和电子飘移速度高、存在高速二维电子气、击穿场强高。这些材料特性将会影响到后面器件的性能。

（2）器件性能

耐高温、开关速度快、导通电阻低、耐高压。优于普通硅材料的特性。反映在电子电气系统和器件产品中。

（3）系统性能

体积小、重量轻、高能效、驱动力强。

碳化硅（SiC）的耐高压能力是硅的10 倍，耐高温能力是硅的2 倍，高频能力是硅的2 倍；相同电气参数产品，采用碳化硅材料可缩小体积50%，降低能量损耗80%。

这也是为什么半导体巨头在碳化硅（SiC）的研发上不断加码的原因：希望把器件体积做得越来越小、能量密度越来越大。

硅材料随着电压的升高，高频性能和能量密度不断在下降，和碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN)相比优势越来越小。

碳化硅（SiC）主要运用在高压环境，氮化镓（GaN)主要集中在中低压的领域。造成两者重点发展的方向有重叠、但各有各的路线。通常以650V 作为一个界限：650V以上通常是碳化硅（SiC）材料的应用，650V 以下比如一些消费类电子上氮化镓（GaN)的优势更加明显。

3、碳化硅（SiC）外延片关键参数

碳化硅（SiC）外延材料的最基本的参数，也是最关键的参数，就右下角黄色的这一块，它的厚度和掺杂浓度均匀性。

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。

四、碳化硅（SiC）外延片是碳化硅（SiC）产业链条核心的中间环节

目前碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）这两种芯片，如果想最大程度利用其材料本身的特性，较为理想的方案便是在碳化硅（SiC）单晶衬底上生长外延层。

碳化硅（SiC）外延片，是指在碳化硅（SiC）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（SiC）晶片本身只作为衬底，包括GaN外延层的衬底。

我国碳化硅（SiC）外延材料研发工作开发于“九五计划”，材料生长技术及器件研究均取得较大进展。主要研究单位有中科院半导体研究所、中电集团13所和55所、西安电子科技大学等，产业化公司主要是“广东天域半导体”和“厦门瀚天天成”。目前我国已研制成功6英寸碳化硅（SiC）外延晶片，且基本实现商业化。可以满足3.3kV及以下电压等级碳化硅（SiC）电力电子器件的研制。不过，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。

五、碳化硅（SiC）外延片制备技术

碳化硅（SiC）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，它的引入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。这个技术率先由LPE在14年实现商业化，在17年左右Aixtron对设备进行了升级改造，将这个技术移植到了商业的设备中。

碳化硅（SiC）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。

3、碳化硅（SiC）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%，甚至跌到百分之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（SiC）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。

六、碳化硅（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（SiC）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。如上是一个1200伏器件应用的10μm的外延片，它的厚度、掺杂浓度了都达到了一个非常优的水平，而且表面缺陷也是非常好的，可以达到0.5平方以下。

在高压领域外延的技术发展相对比较滞后，如上是2万伏的器件上的200μm的一个碳化硅外延材料，它的均匀性、厚度和浓度相对于上述介绍的低压差很多，尤其是掺杂浓度的均匀性。

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，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。

七、碳化硅（SiC）外延技术的应用挑战

尽管碳化硅（SiC）外延技术在碳化硅（SiC）产业链中占据核心地位，但其应用也面临着诸多挑战。

1、高成本

碳化硅（SiC）衬底的成本较高，且外延生长过程中需要高精度的设备和复杂的工艺控制，导致碳化硅（SiC）外延片的成本居高不下。这在一定程度上限制了碳化硅器件的广泛应用。

2、缺陷控制

碳化硅（SiC）外延层在生长过程中容易产生各种缺陷，如微管、三角形缺陷、表面粗糙度等。这些缺陷会严重影响器件的性能和可靠性。因此，如何有效控制缺陷密度成为碳化硅（SiC）外延技术面临的重要挑战。

3、掺杂均匀性

碳化硅（SiC）外延层的掺杂均匀性对器件性能具有重要影响。然而，由于碳化硅（SiC）材料的特殊性质，实现高精度的掺杂控制难度较大。这要求在外延生长过程中采用先进的工艺技术和设备，以确保掺杂的均匀性和精确性。

八、碳化硅（SiC）的应用领域

从终端应用层上来看在碳化硅（SiC）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。

1、在低压领域

主要是针对一些消费电子，比如说PFC、电源；举例子：小米和华为推出来快速充电器，所采用的器件就是氮化镓（GaN）器件。

2、在中压领域

主要是汽车电子和3300V以上的轨道交通和电网系统。举例子：特斯拉是使用碳化硅（SiC）器件最早的一个汽车制造商，使用的型号是model3。在中低压领域，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为竞争关系，更倾向于氮化镓（GaN）。在中低压碳化硅（SiC）已经有非常成熟的二极管和MOSFET产品在市场当中推广应用。

3、在高压领域

碳化硅（SiC）有着独一无二的优势。但迄今为止，在高压领域现在还没有一个成熟的产品的推出，全球都在处于研发的阶段。

4、电动车是碳化硅（SiC）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（SiC）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。

特斯拉Model 3 电驱动模块：采用24 颗意法半导体碳化硅（SiC）器件，丰田也计划2020年推出搭载碳化硅（SiC）器件的电动车，丰田作为日系厂商较为倾向于日系的供应商，目前是三菱或富士在争取这些业务和丰田开展合作。

九、碳化硅（SiC）外延技术的未来发展趋势

随着碳化硅（SiC）器件在各个领域的应用不断拓展，碳化硅（SiC）外延技术也将迎来新的发展机遇。

1、大尺寸衬底与厚膜外延

为了满足高压、大功率电力电子器件的需求，碳化硅（SiC）外延技术将向大尺寸衬底和厚膜外延方向发展。通过优化生长工艺和设备设计，可以实现更大尺寸的碳化硅（SiC）衬底和更厚的外延层生长，从而提高器件的功率密度和可靠性。

2、新型外延技术

随着材料科学和技术的不断进步，新型外延技术如分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）等将逐渐应用于碳化硅（SiC）外延片的制造中。这些新型技术具有生长温度低、表面质量高等优点，有望进一步提高碳化硅（SiC）外延片的质量和性能。

3、智能化与自动化

碳化硅（SiC）外延技术的智能化和自动化将成为未来发展的重要趋势。通过引入先进的自动化设备和智能控制系统，可以实现碳化硅（SiC）外延生长过程的精确控制和优化管理，提高生产效率和产品质量。

4、环保与可持续发展

在环保和可持续发展的大背景下，碳化硅（SiC）外延技术也将向绿色、环保方向发展。通过优化生长工艺和降低能耗等措施，可以减少碳化硅（SiC）外延片制造过程中的环境污染和资源消耗，实现可持续发展目标。

十、广东天域半导体公司重点介绍

目前国内外碳化硅（SiC）外延技术已经取得较大进展，产业界也已成功实现6-8英寸碳化硅（SiC）外延批量生产，但8英寸的良率和品质还远不如6英寸的水平，需要从优选8英寸碳化硅（SiC）衬底和优化外延工艺两方面来不断突破。碳化硅（SiC）行业致力于不断降本增效，未来将开发单腔多片式8英寸碳化硅（SiC）外延设备是重要发展趋势。高质量大尺寸厚膜外延也是提高器件耐压特性的关键，如何在提高外延生长速度的同时确保外延层的高质量是碳化硅（SiC）同质外延面临的重要挑战。为了使器件的性能能够进一步提升，通过外延来实现部分器件结构，主要是开发碳化硅（SiC）外延沟槽填充技术，进一步降低器件的导通电阻。近期液相法已生长出3C-SiC及P型4H-碳化硅（SiC）衬底，在这两种新型衬底上的外延工艺及技术也有待研究及开发。

讲到这里，不得不重点介绍一下：广东天域半导体，它作为中国首批第三代半导体公司之一，天域半导体一直是推动碳化硅（SiC）外延片行业的先行者。随着碳化硅（SiC）行业的主流外延片由4英吋发展到6英吋，以及已量产的8英吋发展的趋势，公司一直在引领该等发展。根据弗若斯特沙利文的资料，天域半导体是中国首批实现4英吋及6英吋碳化硅（SiC）外延片量产的公司之一，及中国首批拥有量产8英吋碳化硅（SiC）外延片能力的公司之一。截至2024年10月31日，天域半导体6英吋及8英吋外延片的年度产能约为420000片，这使公司成为中国具备6英吋及8英吋外延片产能的最大公司之一，凭借先发优势，目前产品市占率国内第一、全球前三。

通过自主研发，天域半导体已掌握生产600–30000V单极型及双极型功率器件所需整个碳化硅（SiC）外延片生产周期的必要核心技术及工艺。公司的产品范围全面，以行业领先的性能指标为特征。天域半导体目前提供4英吋及6英吋碳化硅（SiC）外延片，并已开始量产8英吋外延片。

作为第三代碳化硅（SiC）半导体材料的核心供应商，受益于中国及全球新能源相关产业近年来的迅速发展，天域半导体产品出货量显著增加。于往绩记录期间，公司的销量(包括自制外延片及按代工服务方式销售的外延片)由2021年的17001片增至2022年的44515片，并进一步增至2023年的132072片，复合年增长率为178.7%。

写在最后面的话

碳化硅（SiC）外延技术在碳化硅（SiC）产业链中占据着核心地位，其质量和性能直接决定着碳化硅（SiC）器件的整体表现。随着碳化硅（SiC）器件在各个领域的应用不断拓展，碳化硅（SiC）外延技术也将迎来新的发展机遇和挑战。通过不断优化生长工艺和设备设计、引入新型外延技术、实现智能化与自动化以及推动环保与可持续发展等措施，可以进一步提高碳化硅（SiC）外延片的质量和性能，为碳化硅（SiC）器件的广泛应用提供有力支持。

在未来的发展中，碳化硅（SiC）外延技术将继续发挥其在碳化硅（SiC）产业链中的核心作用，推动碳化硅（SiC）器件在电力电子、光电子、射频器件等领域取得更加广泛的应用和突破。同时，我们也期待着碳化硅（SiC）外延技术在不断创新和进步中，为人类社会带来更加高效、环保和可持续的能源解决方案。