[導讀]與傳統硅功率器件制作工藝不同的最全是，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上，解析必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的碳化外延材料，并在外延層上制造各類器件。硅外碳化硅一般采用PVT方法，延材業鏈溫度高達2000多度，料產且加工周期比較長，最全產出比較低，解析因而碳化硅襯底的碳化成本是非常高的。

與傳統硅功率器件制作工藝不同的硅外是，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上，延材業鏈必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的料產外延材料，并在外延層上制造各類器件。最全

碳化硅一般采用PVT方法，解析溫度高達2000多度，碳化且加工周期比較長，產出比較低，因而碳化硅襯底的成本是非常高的。

碳化硅外延過程和硅基本上差不多，在溫度設計以及設備的結構設計不太一樣。

在器件制備方面，由于材料的特殊性，器件過程的加工和硅不同的是，采用了高溫的工藝，包括高溫離子注入、高溫氧化以及高溫退火工藝。

外延工藝是整個產業中的一種非常關鍵的工藝，由于現在所有的器件基本上都是在外延上實現，所以外延的質量對器件的性能是影響是非常大的，但是外延的質量它又受到晶體和襯底加工的影響，處在一個產業的中間環節，對產業的發展起到非常關鍵的作用。

SiC外延片是SiC產業鏈條核心的中間環節

目前碳化硅和氮化鎵這兩種芯片，如果想最大程度利用其材料本身的特性，較為理想的方案便是在碳化硅單晶襯底上生長外延層。

碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。實際應用中，寬禁帶半導體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底，包括GaN外延層的襯底。

我國SiC外延材料研發工作開發于“九五計劃”，材料生長技術及器件研究均取得較大進展。主要研究單位有中科院半導體研究所、中電集團13所和55所、西安電子科技大學等，產業化公司主要是東莞天域和廈門瀚天天成。目前我國已研制成功6英寸SiC外延晶片，且基本實現商業化。可以滿足3.3kV及以下電壓等級SiC電力電子器件的研制。不過，還不能滿足研制10kV及以上電壓等級器件和研制雙極型器件的需求。

碳化硅材料的特性從三個維度展開：

1.材料的性能，即物理性能：禁帶寬度大、飽和電子飄移速度高、存在高速二維電子氣、擊穿場強高。這些材料特性將會影響到后面器件的性能。

2. 器件性能：耐高溫、開關速度快、導通電阻低、耐高壓。優于普通硅材料的特性。反映在電子電氣系統和器件產品中。

3. 系統性能：體積小、重量輕、高能效、驅動力強。

碳化硅的耐高壓能力是硅的10 倍，耐高溫能力是硅的2 倍，高頻能力是硅的2 倍；相同電氣參數產品，采用碳化硅材料可縮小體積50%，降低能量損耗80%。

這也是為什么半導體巨頭在碳化硅的研發上不斷加碼的原因：希望把器件體積做得越來越小、能量密度越來越大。

硅材料隨著電壓的升高，高頻性能和能量密度不斷在下降，和碳化硅、氮化鎵相比優勢越來越小。

碳化硅主要運用在高壓環境，氮化鎵主要集中在中低壓的領域。造成兩者重點發展的方向有重疊、但各有各的路線。通常以650V 作為一個界限：650V以上通常是碳化硅材料的應用，650V 以下比如一些消費類電子上氮化鎵的優勢更加明顯。

SiC外延片關鍵參數

碳化硅外延材料的最基本的參數，也是最關鍵的參數，就右下角黃色的這一塊，它的厚度和摻雜濃度均勻性。

我們所講外延的參數其實主要取決于器件的設計，比如說根據器件的電壓檔級的不同，外延的參數也不同。

一般低壓在600伏，我們需要的外延的厚度可能就是6個μm左右，中壓1200~1700，我們需要的厚度就是10~15個μm。高壓的話1萬伏以上，可能就需要100個μm以上。所以隨著電壓能力的增加，外延厚度隨之增加，高質量外延片的制備也就非常難，尤其在高壓領域，尤其重要的就是缺陷的控制，其實也是非常大的一個挑戰。

SiC外延片制備技術

碳化硅外延兩大主要技術發展，應用在設備上

1980年提出的臺階流生長模型

此對外延的發展、對外延的質量都起到了非常重要的作用。它的出現首先是生長溫度，可以在相對低的溫度下實現生長，同時對于我們功率器件感興趣的4H晶型來說，可以實現非常穩定的控制。

引入TCS，實現生長速率的提升

引入TCS可以實現生長速率達到傳統的生長速率10倍以上，它的引入不光是生產速率得到提升，同時也是質量得到大大的控制，尤其是對于硅滴的控制，所以說對于厚膜外延生長來說是非常有利的。這個技術率先由LPE在14年實現商業化，在17年左右Aixtron對設備進行了升級改造，將這個技術移植到了商業的設備中。

碳化硅外延中的缺陷其實有很多，因為晶體的不同所以它的缺陷和其它一些晶體的也不太一樣。他的缺陷主要包括微管、三角形缺陷、表面的胡蘿卜缺陷，還有一些特有的如臺階聚集。

基本上很多缺陷都是從襯底中直接復制過來的，所以說襯底的質量、加工的水平對于外延的生長來說，尤其是缺陷的控制是非常重要的。

碳化硅外延缺陷一般分為致命性和非致命性：

致命性缺陷像三角形缺陷，滴落物，對所有的器件類型都有影響，包括二極管，MOSFET，雙極性器件，影響最大的就是擊穿電壓，它可以使擊穿電壓減少20%，甚至跌到百分之90。

非致命性的缺陷比如說一些TSD和TED，對這個二極管可能就沒有影響，對MOS、雙極器件可能就有壽命的影響，或者有一些漏電的影響，最終會使器件的加工合格率受到影響。

控制碳化硅外延缺陷，方法一是謹慎選擇碳化硅襯底材料；二是設備選擇及國產化；三是工藝技術。

碳化硅外延技術進展情況：

在低、中壓領域，目前外延片核心參數厚度、摻雜濃度可以做到相對較優的水平。

但在高壓領域，目前外延片需要攻克的難關還很多，主要參數指標包括厚度、摻雜濃度的均勻性、三角缺陷等。

在中、低壓應用領域，碳化硅外延的技術相對是比較成熟的。

基本上可以滿足低中壓的SBD、JBS、MOS等器件的需求。如上是一個1200伏器件應用的10μm的外延片，它的厚度、摻雜濃度了都達到了一個非常優的水平，而且表面缺陷也是非常好的，可以達到0.5平方以下。

在高壓領域外延的技術發展相對比較滯后，如上是2萬伏的器件上的200μm的一個碳化硅外延材料，它的均勻性、厚度和濃度相對于上述介紹的低壓差很多，尤其是摻雜濃度的均勻性。

同時，高壓器件需要的厚膜方面，目前的缺陷還是比較多的，尤其是三角形缺陷，缺陷多主要影響大電流的器件制備。大電流需要大的芯片面積。同時它的少子壽命目前也比較低。

在高壓方面的話，器件的類型趨向于使用于雙極器件，對少子壽命要求比較高，從右面這個圖我們可以看到，要達到一個理想的正向電流它的少子壽命至少要達到5μs以上，目前的外延片的少子壽命的參數大概在1~2個μs左右，所以說還對高壓器件的需求目前來說還沒法滿足，還需要后處理技術。

SiC外延片制備設備情況

碳化硅外延材料的主要設備，目前這個市場上主要有四家：

1、德國的Aixtron：特點是產能比較大；

2、意大利的LPE，屬于單片機，生長速率非常大。

3、日本的TEL和Nuflare，其設備的價格非常昂貴，其次是雙腔體，對提高產量有一定的作用。其中，Nuflare是最近幾年推出來的一個非常有特點的設備，其能高速旋轉，可以達到一分鐘1000轉，這對外延的均勻性是非常有利的。同時它的氣流方向不同于其他設備，是垂直向下的，所以它可以避免一些顆粒物的產生，減少滴落到片子上的概率。

行業格局

在全球市場中，外延片企業主要有 DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、羅姆、三菱電機、Infineon 等，多數是IDM公司。日本也存在比較優越的碳化硅外延的供應商，比如說昭和電工，但它已經不是一個純粹的做碳化硅外延的，因為他在前幾年也收購了日本的新日鐵，開始涉及到了碳化硅單晶的制備。

全球業內的龍頭Cree旗下Wolfspeed，是IDM公司，除了對外提供襯底片和外延片，還做器件、模塊。Cree 占據襯底市場約 40%份額、器件市場約 23%份額。

在大陸市場，純粹做外延片的有：瀚天天成（EpiWorld）和東莞天域半導體均可供應 4-6 英寸外延片，中電科 13 所、55 所亦均有內部供應的外延片生產部門。臺灣地去有嘉晶電子。

? 北方華創介紹了公司為化合物半導體生產開發的相關刻蝕機等設備。公司表示在化合物半導體SiC/GaN 的刻蝕中存在諸多挑戰，包括刻蝕的寬縱比、特殊的刻蝕輪廓的控制、刻蝕的選擇性以及過高/過低的刻蝕速率。公司的干法刻蝕解決方案在這些要求中展現了卓越的表現和良率。

? 能訊半導體率先在國內開展了GaN 材料與器件的研發與產業化，公司擁有先進的GaN-on-Si 以及GaN-on-SiC 外延工藝，可以滿足微波功率器件及電力電子器件的應用需求。在制造方面，公司有用亞微米柵極技術、鈍化層技術、襯底減薄VIA 通孔技術等。公司目前在昆山擁有6,000/年3” GaN 晶圓片的產能。

? 中車時代電氣為中國中車子公司，在功率半導體方面處于國內領先水平。半導體相關器件主要用途為軌道交通、輸變電及新能源領域。2018 年1 月實現國內首條6” SiC芯片生產線技術調試完成，2 月產線已正式開始流片。該項目總投資為3.5 億元，可實現4”及6” SiC SBD、PiN、MOSFET 等器件的研發和制造。

應用領域

從終端應用層上來看在碳化硅材料在高鐵、汽車電子、智能電網、光伏逆變、工業機電、數據中心、白色家電、消費電子、5G通信、次世代顯示等領域有著廣泛的應用，市場潛力巨大。

在應用上，分為低壓、中壓和高壓領域

在低壓領域：主要是針對一些消費電子，比如說PFC、電源；舉例子：小米和華為推出來快速充電器，所采用的器件就是氮化鎵器件。

在中壓領域：主要是汽車電子和3300V以上的軌道交通和電網系統。舉例子：特斯拉是使用碳化硅器件最早的一個汽車制造商，使用的型號是model3。

在中低壓領域，碳化硅和氮化鎵為競爭關系，更傾向于氮化鎵。在中低壓碳化硅已經有非常成熟的二極管和MOSFET產品在市場當中推廣應用。

在高壓領域：碳化硅有著獨一無二的優勢。但迄今為止，在高壓領域現在還沒有一個成熟的產品的推出，全球都在處于研發的階段。

電動車是碳化硅的最佳應用場景

豐田的電驅動模塊（電動車的核心部件），碳化硅的器件比硅基IGBT 的體積縮小了50%甚至更多，同時能量密度也比硅基IGBT 高很多。這也是很多廠商傾向于使用碳化硅的原因，可以優化零部件在車上的布置，節省更多的空間。

特斯拉Model 3 電驅動模塊：采用24 顆意法半導體碳化硅器件，豐田也計劃2020年推出搭載碳化硅器件的電動車，豐田作為日系廠商較為傾向于日系的供應商，目前是三菱或富士在爭取這些業務和豐田開展合作。

來源：第三代半導體聯合創新孵化中心

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