以碳化硅(SiC)為代表的第三代半導(dǎo)體材料具有遠(yuǎn)大于Si和GaAs等第一、二代半導(dǎo)體材料的帶隙寬度，且還具備擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射等優(yōu)異特性，更加適應(yīng)于電力電子、微波射頻和光電子等高壓、高溫、高頻和高可靠性的應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域。但與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，SiC功率器件一般不直接制作在SiC單晶材料上，而必須在SiC單晶襯底上使用外延技術(shù)生長(zhǎng)出高質(zhì)量的外延材料上制作各類器件。

為何需要再SiC上生長(zhǎng)外延？

SiC是一種Si元素和C元素以1:1比例形成的二元化合物，其基本結(jié)構(gòu)為 Si-C 四面體，其中 Si-Si 鍵鍵能大小高達(dá) 310 kJ/mol，Si-C鍵鍵能高達(dá) 447 kJ/mol，因此相較于傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體材料，碳化硅基半導(dǎo)體材料化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定，導(dǎo)致其單晶無(wú)法通過(guò)熔融的辦法直接結(jié)晶，而只能通過(guò)氣化之后從蒸汽里一點(diǎn)點(diǎn)結(jié)晶，生長(zhǎng)十分緩慢，大約一個(gè)月僅能生長(zhǎng)2cm，若直接在SiC襯底上集成器件難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

碳化硅晶體結(jié)構(gòu)示意圖（來(lái)源：半導(dǎo)體全解）

更重要的是，由于碳化硅襯底在生長(zhǎng)過(guò)程中可能存在各種缺陷，如晶界、位錯(cuò)、雜質(zhì)等，可能會(huì)嚴(yán)重影響器件的性能和可靠性。而外延技術(shù)可以精確控制外延層的摻雜類型和濃度，以及外延層的厚度，從而可以在襯底上形成一層新的、晶體結(jié)構(gòu)完整、缺陷較少的外延層，從而顯著提高器件的質(zhì)量和可靠性，因此，SIC襯底外延技術(shù)是推動(dòng)SIC功率器件在生產(chǎn)生活中應(yīng)用的關(guān)鍵。

SiC上如何生長(zhǎng)外延？

通常，SiC襯底外延可通過(guò)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(CVD)、液相外延技術(shù)(LPE)和分子束外延技術(shù)（MBE）、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等技術(shù)生長(zhǎng)：

1、化學(xué)氣相沉積技術(shù)(CVD)：

CVD技術(shù)是將含有最終所需產(chǎn)物元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或液態(tài)反應(yīng)劑的蒸汽及反應(yīng)所需其它氣體引入一個(gè)受到外界能量激活的環(huán)境中，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而生成所需的穩(wěn)定的固體產(chǎn)物沉積在特殊處理過(guò)的固體表面的一種技術(shù)。例如，利用CVD法生長(zhǎng)SiC同質(zhì)外延時(shí)，常使用硅烷和碳?xì)浠衔镒鳛榉磻?yīng)氣體，氫氣作為載氣，氯化氫作為輔助氣體，或使用三氯氫硅(TCS)作為硅源代替硅烷和氯化氫，在約1 600 ℃的溫度條件下，反應(yīng)氣體分解并在SiC襯底表面外延生長(zhǎng)SiC薄膜。這種方法可以在較高生長(zhǎng)速率下獲得高質(zhì)量外延層，可以對(duì)SiC外延層的厚度實(shí)現(xiàn)精確控制，并且能夠可控實(shí)現(xiàn)SiC原位摻雜等多種優(yōu)點(diǎn)，已成為SiC外延生長(zhǎng)的主流技術(shù)。

（來(lái)源：半導(dǎo)體信息 ）

2、液相外延技術(shù)（LPE）

LPE技術(shù)是以低熔點(diǎn)的金屬為溶劑，以待生長(zhǎng)材料和摻雜劑為溶質(zhì)，使溶質(zhì)在溶劑中呈飽和或過(guò)飽和狀態(tài)。通過(guò)降溫冷卻使石墨舟中的溶質(zhì)從溶劑中析出，在單晶襯底上定向生長(zhǎng)一層晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)與單晶襯底足夠相似的晶體材料，使晶體結(jié)構(gòu)得以延續(xù)，實(shí)現(xiàn)晶體的外延生長(zhǎng)。該方法能夠在相對(duì)較低的溫度下生長(zhǎng)出具有優(yōu)良晶格匹配的外延層，減少了因高溫而產(chǎn)生的缺陷。但是，LPE的生長(zhǎng)速率較慢，對(duì)于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)而言，效率不高。

（來(lái)源：晶格半導(dǎo)體）

3、分子束外延（MBE）

MBE外延生長(zhǎng)是在超高真空環(huán)境下（10-10Torr）以高溫蒸發(fā)的方式將源材料裂解為氣體分子以產(chǎn)生分子束流，產(chǎn)生的分子束流在襯底表面經(jīng)吸附、分解、遷移、成核、生長(zhǎng)等過(guò)程使原子進(jìn)入晶格位置完成外延生長(zhǎng)。由于該技術(shù)在超高真空環(huán)境下進(jìn)行，它能夠?qū)崿F(xiàn)極高的層厚和摻雜濃度控制精度，制備出質(zhì)量極高的SiC外延層。但是，與LPE一樣存在生長(zhǎng)速率慢，且運(yùn)行成本相對(duì)較高的缺點(diǎn)。

（來(lái)源：晶格半導(dǎo)體）

4、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）

MOCVD主要以III族或II族元素的有機(jī)化合物和V族或VI族元素的氧化物或氫化物等作為晶體生長(zhǎng)的原材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行氣相外延，例如，GaN外延大多就利用MOCVD技術(shù)，以三甲基鎵（TMGa）為鎵源，以NH₃為反應(yīng)氣體，以高純度的N₂為載氣，在高溫條件下實(shí)現(xiàn)在SiC襯底上生長(zhǎng)，具有產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)，生長(zhǎng)周期短，產(chǎn)量高，但存在原料價(jià)格昂貴，需要精密控制反應(yīng)過(guò)程的缺點(diǎn)。

不同外延層的SiC器件應(yīng)用差異

目前，除了可在SIC襯底上生長(zhǎng)的同質(zhì)外延外，還可生長(zhǎng)氮化鎵（GaN）、氧化鎵（Ga₂O₃）等異質(zhì)外延。

1、SiC同質(zhì)外延

Si同質(zhì)外延層是在導(dǎo)電型碳化硅襯底表面生長(zhǎng)一層碳化硅外延層，由于與襯底材料一致，通常具有較高的晶體質(zhì)量和較低的缺陷密度，常用于制造高可靠性、高性能、高功率的電子器件，如電力電子器件、激光器、探測(cè)器等。不過(guò)由于SiC存在200多種晶體結(jié)構(gòu)，不同的晶體結(jié)構(gòu)適用的應(yīng)用領(lǐng)域也有差異，其中4H-SiC的禁帶寬度較大、載流子遷移率較高、摻雜劑離化能較低，成為了SiC功率電子領(lǐng)域最常用的襯底材料之一。

值得注意的是，為了調(diào)整和控制半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)，外延生長(zhǎng)過(guò)程中往往需要進(jìn)行摻雜，增加半導(dǎo)體中的自由電子或空穴（載流子）的數(shù)量，而摻雜濃度與均勻性的調(diào)控需要控制較低的外延生長(zhǎng)速度，但是為了保證器件具有較高耐電壓性，需要保證外延層具有一定的厚度，而利用CVD法制備的厚膜外延有需要高的生長(zhǎng)速度，因而在外延生長(zhǎng)過(guò)程中，需要基于外延目的調(diào)控外延生長(zhǎng)參數(shù)，最終獲得符合要求的外延材料。

2、基于SiC襯底的GaN異質(zhì)外延（GaN-on-Si）

SiC異質(zhì)外延是在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)一層與襯底不同的單晶材料，由于與襯底材料的晶體結(jié)構(gòu)存在差異，容易產(chǎn)生缺陷和應(yīng)力，通常具有較低的晶體質(zhì)量和較高的缺陷密度，但其與襯底材料的性能、結(jié)構(gòu)差異也為探索新型器件提供了可能，可用于制造特殊性能的電子器件。比如以氮化鎵為代表的Ⅲ族氮化物的禁帶寬度在0.7～6.2 eV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，且具有高電子飽和漂移速度、耐高溫、大功率密度等優(yōu)點(diǎn)，作為外延層在射頻器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

不過(guò)，目前在SiC襯底上外延GaN時(shí)，GaN外延層的質(zhì)量易受襯底表面氧化層、亞表面損傷層、缺陷等的影響，因此SiC襯底的表面處理十分關(guān)鍵，目前通過(guò)采取化學(xué)機(jī)械拋光已做到基本無(wú)劃痕。除此之外，Ga原子在SiC襯底表面浸潤(rùn)性差，直接在SiC襯底表面生長(zhǎng)GaN生長(zhǎng)速度慢、材料質(zhì)量差，還存在的堆垛層錯(cuò)缺陷問(wèn)題以及晶格失配與熱失配問(wèn)題等，易產(chǎn)生高密度的缺陷，以及易導(dǎo)致面內(nèi)載流子分離以及器件漏電等問(wèn)題的出現(xiàn)，需要通過(guò)采用AlN或AlGaN緩沖層、圖形化襯底、掩膜等方法來(lái)有效改善SiC表面浸潤(rùn)層，調(diào)控應(yīng)力釋放，技術(shù)較為復(fù)雜，因此目前仍需要進(jìn)一步探索如何在SiC襯底上直接外延高質(zhì)量GaN。

SiC襯底直接外GaN和引入AlN緩沖層的GaN外延

3、基于SiC襯底的Ga₂O₃外延

Ga₂O₃作為新興寬禁帶半導(dǎo)體材料，在電學(xué)特性方面，具有超寬帶隙特性（4.8 ～5.1 eV），且其擊穿場(chǎng)強(qiáng)理論上可以達(dá)到8 MV/cm，是硅的20倍以上，氮化鎵的2.5倍、碳化硅的3倍多；同時(shí)，氧化鎵功率器件品質(zhì)因子（如直流低損耗Baliga品質(zhì)因子等）明顯優(yōu)于碳化硅、氮化鎵等。因此，在功率器件上使用氧化鎵可顯著提升器件輸出電流密度和功率密度，在低頻、高壓領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。不過(guò)其極低的熱導(dǎo)率（0．11 W/( cm·K) ）限制了其在部分場(chǎng)景的應(yīng)用，因此作為外延材料在具有良好導(dǎo)熱性以及晶格較為匹配的SiC襯底上進(jìn)行生長(zhǎng)成為了熱點(diǎn)研究方向，有望對(duì)現(xiàn)有的SiC及GaN技術(shù)形成技術(shù)互補(bǔ)。不過(guò)，如何獲得晶相統(tǒng)一、表面平坦的單晶薄膜尚需要繼續(xù)研究。

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