以碳化硅(SiC)為代表的第三代半導體材料具有遠大于Si和GaAs等第一、二代半導體材料的帶隙寬度，且還具備擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射等優異特性，更加適應于電力電子、微波射頻和光電子等高壓、高溫、高頻和高可靠性的應用領域領域。但與傳統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生長出高質量的外延材料上制作各類器件。

為何需要再SiC上生長外延？

SiC是一種Si元素和C元素以1:1比例形成的二元化合物，其基本結構為 Si-C 四面體，其中 Si-Si 鍵鍵能大小高達 310 kJ/mol，Si-C鍵鍵能高達 447 kJ/mol，因此相較于傳統的硅基半導體材料，碳化硅基半導體材料化學性質更加穩定，導致其單晶無法通過熔融的辦法直接結晶，而只能通過氣化之后從蒸汽里一點點結晶，生長十分緩慢，大約一個月僅能生長2cm，若直接在SiC襯底上集成器件難以實現大規模生產。

碳化硅晶體結構示意圖（來源：半導體全解）

更重要的是，由于碳化硅襯底在生長過程中可能存在各種缺陷，如晶界、位錯、雜質等，可能會嚴重影響器件的性能和可靠性。而外延技術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、晶體結構完整、缺陷較少的外延層，從而顯著提高器件的質量和可靠性，因此，SIC襯底外延技術是推動SIC功率器件在生產生活中應用的關鍵。

SiC上如何生長外延？

通常，SiC襯底外延可通過化學氣相沉積技術(CVD)、液相外延技術(LPE)和分子束外延技術（MBE）、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）等技術生長：

1、化學氣相沉積技術(CVD)：

CVD技術是將含有最終所需產物元素的氣態反應劑或液態反應劑的蒸汽及反應所需其它氣體引入一個受到外界能量激活的環境中，發生化學反應，進而生成所需的穩定的固體產物沉積在特殊處理過的固體表面的一種技術。例如，利用CVD法生長SiC同質外延時，常使用硅烷和碳氫化合物作為反應氣體，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，反應氣體分解并在SiC襯底表面外延生長SiC薄膜。這種方法可以在較高生長速率下獲得高質量外延層，可以對SiC外延層的厚度實現精確控制，并且能夠可控實現SiC原位摻雜等多種優點，已成為SiC外延生長的主流技術。

（來源：半導體信息 ）

2、液相外延技術（LPE）

LPE技術是以低熔點的金屬為溶劑，以待生長材料和摻雜劑為溶質，使溶質在溶劑中呈飽和或過飽和狀態。通過降溫冷卻使石墨舟中的溶質從溶劑中析出，在單晶襯底上定向生長一層晶體結構和晶格常數與單晶襯底足夠相似的晶體材料，使晶體結構得以延續，實現晶體的外延生長。該方法能夠在相對較低的溫度下生長出具有優良晶格匹配的外延層，減少了因高溫而產生的缺陷。但是，LPE的生長速率較慢，對于大規模工業生產而言，效率不高。

（來源：晶格半導體）

3、分子束外延（MBE）

MBE外延生長是在超高真空環境下（10-10Torr）以高溫蒸發的方式將源材料裂解為氣體分子以產生分子束流，產生的分子束流在襯底表面經吸附、分解、遷移、成核、生長等過程使原子進入晶格位置完成外延生長。由于該技術在超高真空環境下進行，它能夠實現極高的層厚和摻雜濃度控制精度，制備出質量極高的SiC外延層。但是，與LPE一樣存在生長速率慢，且運行成本相對較高的缺點。

（來源：晶格半導體）

4、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）

MOCVD主要以III族或II族元素的有機化合物和V族或VI族元素的氧化物或氫化物等作為晶體生長的原材料，以熱分解反應方式在襯底上進行氣相外延，例如，GaN外延大多就利用MOCVD技術，以三甲基鎵（TMGa）為鎵源，以NH₃為反應氣體，以高純度的N₂為載氣，在高溫條件下實現在SiC襯底上生長，具有產品質量優，生長周期短，產量高，但存在原料價格昂貴，需要精密控制反應過程的缺點。

不同外延層的SiC器件應用差異

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

1、SiC同質外延

Si同質外延層是在導電型碳化硅襯底表面生長一層碳化硅外延層，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、探測器等。不過由于SiC存在200多種晶體結構，不同的晶體結構適用的應用領域也有差異，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功率電子領域最常用的襯底材料之一。

值得注意的是，為了調整和控制半導體材料的電學性質，外延生長過程中往往需要進行摻雜，增加半導體中的自由電子或空穴（載流子）的數量，而摻雜濃度與均勻性的調控需要控制較低的外延生長速度，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速度，因而在外延生長過程中，需要基于外延目的調控外延生長參數，最終獲得符合要求的外延材料。

2、基于SiC襯底的GaN異質外延（GaN-on-Si）

SiC異質外延是在半絕緣型碳化硅襯底上生長一層與襯底不同的單晶材料，由于與襯底材料的晶體結構存在差異，容易產生缺陷和應力，通常具有較低的晶體質量和較高的缺陷密度，但其與襯底材料的性能、結構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范圍內連續可調，且具有高電子飽和漂移速度、耐高溫、大功率密度等優點，作為外延層在射頻器件領域具有廣闊的應用前景。

不過，目前在SiC襯底上外延GaN時，GaN外延層的質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鍵，目前通過采取化學機械拋光已做到基本無劃痕。除此之外，Ga原子在SiC襯底表面浸潤性差，直接在SiC襯底表面生長GaN生長速度慢、材料質量差，還存在的堆垛層錯缺陷問題以及晶格失配與熱失配問題等，易產生高密度的缺陷，以及易導致面內載流子分離以及器件漏電等問題的出現，需要通過采用AlN或AlGaN緩沖層、圖形化襯底、掩膜等方法來有效改善SiC表面浸潤層，調控應力釋放，技術較為復雜，因此目前仍需要進一步探索如何在SiC襯底上直接外延高質量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體材料，在電學特性方面，具有超寬帶隙特性（4.8 ～5.1 eV），且其擊穿場強理論上可以達到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，氧化鎵功率器件品質因子（如直流低損耗Baliga品質因子等）明顯優于碳化硅、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、高壓領域有潛在的應用前景。不過其極低的熱導率（0．11 W/( cm·K) ）限制了其在部分場景的應用，因此作為外延材料在具有良好導熱性以及晶格較為匹配的SiC襯底上進行生長成為了熱點研究方向，有望對現有的SiC及GaN技術形成技術互補。不過，如何獲得晶相統一、表面平坦的單晶薄膜尚需要繼續研究。

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粉體圈Corange