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分析 ！碳化硅产业链条核心 ：外延技术 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。 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。 SiC 外延片是 SiC 产业链条核心的中间环节 目前碳化硅和氮化镓这两种芯片 ，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单晶衬底上生长外延层。 碳化硅外延片 ，是指在碳化硅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 ，碳化硅晶片本身只作为衬底 ， 包括 GaN外延层的衬底。 我国 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 东莞天域和厦门瀚天天成。目前我国已研制成功 6 英寸 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 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。 碳化硅材料的特性从三个维度展开 ： 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、氮化镓相比优势越来越小。 碳化硅主要运用在高压环境 ，氮化镓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 以上通常是碳化硅材料的应用 ，650V 以下比 如一些消费类电子上氮化镓的优势更加明显。 SiC 外延片关键参数 碳化硅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。 SiC 外延片制备技术 碳化硅外延两大主要技术发展 ，应用在设备上。 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。 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。 碳化硅外延中