中國粉體網(wǎng)訊 首先，要搞清楚一個問題。
為什么SiC要先制作襯底，再在襯底上外延SiC制成外延片？而不是直接切下來？
簡單來講，碳化硅晶體在生長過程中會不可避免地產(chǎn)生缺陷、引入雜質(zhì)，導(dǎo)致襯底材料的質(zhì)量和性能都不夠好，而外延層的生長可以消除襯底中的某些缺陷，使晶格排列整齊。
具體分析，從生長方式來看，SiC鍵能太大，導(dǎo)致不能通過熔融的辦法直接結(jié)晶出碳化硅晶錠。這種高鍵能物質(zhì)想要長晶都只能氣化之后從蒸汽里一點(diǎn)點(diǎn)結(jié)晶，并且為了生長出一塊晶體，碳化硅需要襯底來“引導(dǎo)”，引導(dǎo)下面沉積上來的原子在什么方向沉積。晶體生長通常采用升華或物理氣相傳輸（PVT）技術(shù)，這一過程需要精確控制溫度、壓力和時間，以確保晶錠的一致性和高質(zhì)量。
從生產(chǎn)效率來看，碳化硅長晶很慢，根據(jù)天岳先進(jìn)數(shù)據(jù)，2021年其長晶爐的單臺年產(chǎn)能也才115片。因此在大規(guī)模生產(chǎn)中，可通過在襯底上外延SiC可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率并減少制造成本。
SiC外延片，來源：瀚天天成
從加工過程來看，都知道碳化硅很硬，傳統(tǒng)的金剛石線切碳化硅，切速更慢，切口更不平整，且特別容易在碳化硅表面留下裂紋。此外，碳化硅還脆，在加工過程中不是切不動就是切碎了，這個也是導(dǎo)致碳化硅晶圓價(jià)格昂貴的原因之一。
從晶體質(zhì)量來看，在碳化硅襯底上生長碳化硅外延片，可以控制晶體質(zhì)量和晶格匹配性，襯底與外延片之間的晶格匹配性可以對SiC材料的應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這可以改變SiC外延片的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，對器件性能和功能性具有重要影響。同時，襯底上的晶體結(jié)構(gòu)可以影響外延片的晶體質(zhì)量和缺陷密度，從而提高SiC材料的性能和穩(wěn)定性，這可謂是一舉兩得。
從制作需要來看，在襯底上生長外延SiC，可以在不同襯底類型（如4H-SiC、6H-SiC等）上實(shí)現(xiàn)不同晶向的SiC生長，從而獲得特定晶面方向的SiC晶體，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ牧咸匦缘男枨蟆?/p>
SiC外延生長方法有哪些？
化學(xué)氣相沉積（CVD）
CVD方法通過氣態(tài)化合物在高溫下分解并在襯底上沉積形成外延層。其優(yōu)勢在于可以精確控制摻雜濃度和生長速率，但面臨高溫工藝和設(shè)備復(fù)雜度的問題。
分子束外延（MBE）
MBE是一種在超高真空環(huán)境下，通過原子束直接沉積在襯底上的外延生長方法。其具有生長溫度低、表面光滑、摻雜精確等優(yōu)點(diǎn)，但生長速率較低，適用于高精度外延生長。
液相外延（LPE）
LPE方法通過溶液中的SiC在襯底上結(jié)晶形成外延層。其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備簡單、成本較低，但難以控制外延層的均勻性和厚度。
影響SiC外延生長的影響因素有哪些？
對于大尺寸SiC外延材料，SiC外延層摻雜濃度的均勻性（δ/mean）是研究界和產(chǎn)業(yè)界目前關(guān)注的另一重點(diǎn)。
在水平式外延生長中，氣體高速流入生長腔室，中心流速高，兩側(cè)接近生長腔室邊界的地方流速降低；同時在氣體流動的方向上，隨著反應(yīng)氣體的消耗，反應(yīng)氣體的濃度降低，這些現(xiàn)象會引起SiC外延層厚度和濃度的不均勻，進(jìn)而影響器件的性能。
其次，SiC外延層的缺陷控制也是一大難點(diǎn)。
SiC外延材料的點(diǎn)缺陷主要有硅空位、碳空位、硅碳雙空位等缺陷，它們在禁帶中產(chǎn)生深能級中心，影響材料的載流子壽命。在輕摻雜的SiC外延層中，點(diǎn)缺陷產(chǎn)生的深能級中心濃度通常在5E12~2E13cm-3，與外延生長條件特別是C/Si 比和生長溫度相關(guān)。
小結(jié)
SiC外延在產(chǎn)業(yè)鏈中起著承上啟下的重要作用，一方面通過不斷積累對SiC材料的性能認(rèn)知和改良，一方面通過器件的不斷迭代驗(yàn)證，最終提升外延品質(zhì)，推動SiC器件的應(yīng)用。
來源：
郭鈺等：碳化硅同質(zhì)外延質(zhì)量影響因素的分析與綜述
晶格半導(dǎo)體：為什么碳化硅要用外延
天科合達(dá)、天岳先進(jìn)報(bào)告、粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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