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碳化硅（Silicon Carbide, SiC）作為第三代半導體材料的代表，以其優(yōu)異的物理和化學特性，在電力電子、光電子、射頻器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中，外延技術(shù)作為連接襯底與器件制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量和性能直接決定著碳化硅器件的整體表現(xiàn)。

半導體碳化硅（SiC）“外延”技術(shù)詳解及供應商報告；

一、碳化硅（SiC）外延技術(shù)的簡介

外延工藝是整個產(chǎn)業(yè)中的一種非常關(guān)鍵的工藝，由于現(xiàn)在所有的器件基本上都是在外延上實現(xiàn)，所以外延的質(zhì)量對器件的性能是影響是非常大的，但是外延的質(zhì)量它又受到晶體和襯底。加工的影響，處在一個產(chǎn)業(yè)的中間環(huán)節(jié)，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到非常關(guān)鍵的作用。

碳化硅功率器件與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。

碳化硅一般采用PVT方法，溫度高達2000多度，且加工周期比較長，產(chǎn)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(shè)計以及設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)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。

二、碳化硅（SiC）外延技術(shù)的核心地位

碳化硅外延技術(shù)是在碳化硅襯底上生長一層高質(zhì)量的外延層，以實現(xiàn)特定的材料特性。這一層外延層不僅繼承了襯底的優(yōu)良特性，還通過精確控制摻雜濃度、厚度和晶向等參數(shù)，為后續(xù)的器件制造提供了理想的基礎(chǔ)。碳化硅功率器件與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。因此，外延技術(shù)在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)著核心地位。

三、碳化硅（SiC）外延材料的特性及關(guān)鍵參數(shù)

1、技術(shù)特點

（1）高質(zhì)量材料生長

碳化硅外延技術(shù)能夠在襯底上生長出高質(zhì)量的碳化硅薄膜，確保材料的可靠性和一致性。通過化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）等方法，可以在高溫下將碳化硅前體氣體在襯底表面化學反應沉積形成外延層。這些方法能夠控制碳化硅外延層的生長速率、晶格匹配性和表面質(zhì)量，從而獲得高質(zhì)量的碳化硅外延片。

（2）定制化生長

外延技術(shù)允許根據(jù)特定需求進行定制化生長，包括厚度、摻雜和晶向等參數(shù)的調(diào)控。這種靈活性使得碳化硅外延片能夠滿足不同應用領(lǐng)域?qū)Σ牧咸匦缘男枨蟆＠?，?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓電力電子器件中，需要較厚的外延層以承受高電壓；而在高頻射頻器件中，則需要精確控制摻雜濃度以實現(xiàn)優(yōu)異的電學性能。

（3）高效散熱與耐高溫

碳化硅材料具有高熱導率和耐高溫特性，使得碳化硅外延片在功率電子器件中展現(xiàn)出優(yōu)異的散熱性能。在高溫環(huán)境下，碳化硅外延片能夠保持穩(wěn)定的物理和化學性能，確保器件的長期可靠性。

2、碳化硅（SiC）材料的特性

（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(guān)速度快、導通電阻低、耐高壓。優(yōu)于普通硅材料的特性。反映在電子電氣系統(tǒng)和器件產(chǎn)品中。

（3）系統(tǒng)性能

體積小、重量輕、高能效、驅(qū)動力強。

碳化硅（SiC）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(shù)產(chǎn)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（SiC）的研發(fā)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（SiC）、氮化鎵（GaN)相比優(yōu)勢越來越小。

碳化硅（SiC）主要運用在高壓環(huán)境，氮化鎵（GaN)主要集中在中低壓的領(lǐng)域。造成兩者重點發(fā)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（SiC）材料的應用，650V 以下比如一些消費類電子上氮化鎵（GaN)的優(yōu)勢更加明顯。

3、碳化硅（SiC）外延片關(guān)鍵參數(shù)

碳化硅（SiC）外延材料的最基本的參數(shù)，也是最關(guān)鍵的參數(shù)，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(shù)其實主要取決于器件的設(shè)計，比如說根據(jù)器件的電壓檔級的不同，外延的參數(shù)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(zhì)量外延片的制備也就非常難，尤其在高壓領(lǐng)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(zhàn)。

四、碳化硅（SiC）外延片是碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)鏈條核心的中間環(huán)節(jié)

目前碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）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（SiC）單晶襯底上生長外延層。

碳化硅（SiC）外延片，是指在碳化硅（SiC）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（SiC）晶片本身只作為襯底，包括GaN外延層的襯底。

我國碳化硅（SiC）外延材料研發(fā)工作開發(fā)于“九五計劃”，材料生長技術(shù)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(chǎn)業(yè)化公司主要是“廣東天域半導體”和“廈門瀚天天成”。目前我國已研制成功6英寸碳化硅（SiC）外延晶片，且基本實現(xiàn)商業(yè)化?？梢詽M足3.3kV及以下電壓等級碳化硅（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。

五、碳化硅（SiC）外延片制備技術(shù)

碳化硅（SiC）外延兩大主要技術(shù)發(fā)展，應用在設(shè)備上。

1、1980年提出的臺階流生長模型

此對外延的發(fā)展、對外延的質(zhì)量都起到了非常重要的作用。它的出現(xiàn)首先是生長溫度，可以在相對低的溫度下實現(xiàn)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(xiàn)非常穩(wěn)定的控制。

2、引入TCS，實現(xiàn)生長速率的提升

引入TCS可以實現(xiàn)生長速率達到傳統(tǒng)的生長速率10倍以上，它的引入不光是生產(chǎn)速率得到提升，同時也是質(zhì)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(shù)率先由LPE在14年實現(xiàn)商業(yè)化，在17年左右Aixtron對設(shè)備進行了升級改造，將這個技術(shù)移植到了商業(yè)的設(shè)備中。

碳化硅（SiC）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(zhì)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。

3、碳化硅（SiC）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（SiC）外延缺陷，方法一是謹慎選擇碳化硅襯底材料；二是設(shè)備選擇及國產(chǎn)化；三是工藝技術(shù)。

六、碳化硅（SiC）外延技術(shù)進展情況

在低、中壓領(lǐng)域，目前外延片核心參數(shù)厚度、摻雜濃度可以做到相對較優(yōu)的水平。但在高壓領(lǐng)域，目前外延片需要攻克的難關(guān)還很多，主要參數(shù)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(lǐng)域，碳化硅（SiC）外延的技術(shù)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(yōu)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(lǐng)域外延的技術(shù)發(fā)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，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(shù)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(shù)。

七、碳化硅（SiC）外延技術(shù)的應用挑戰(zhàn)

盡管碳化硅（SiC）外延技術(shù)在碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)核心地位，但其應用也面臨著諸多挑戰(zhàn)。

1、高成本

碳化硅（SiC）襯底的成本較高，且外延生長過程中需要高精度的設(shè)備和復雜的工藝控制，導致碳化硅（SiC）外延片的成本居高不下。這在一定程度上限制了碳化硅器件的廣泛應用。

2、缺陷控制

碳化硅（SiC）外延層在生長過程中容易產(chǎn)生各種缺陷，如微管、三角形缺陷、表面粗糙度等。這些缺陷會嚴重影響器件的性能和可靠性。因此，如何有效控制缺陷密度成為碳化硅（SiC）外延技術(shù)面臨的重要挑戰(zhàn)。

3、摻雜均勻性

碳化硅（SiC）外延層的摻雜均勻性對器件性能具有重要影響。然而，由于碳化硅（SiC）材料的特殊性質(zhì)，實現(xiàn)高精度的摻雜控制難度較大。這要求在外延生長過程中采用先進的工藝技術(shù)和設(shè)備，以確保摻雜的均勻性和精確性。

八、碳化硅（SiC）的應用領(lǐng)域

從終端應用層上來看在碳化硅（SiC）材料在高鐵、汽車電子、智能電網(wǎng)、光伏逆變、工業(yè)機電、數(shù)據(jù)中心、白色家電、消費電子、5G通信、次世代顯示等領(lǐng)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(lǐng)域。

1、在低壓領(lǐng)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（GaN）器件。

2、在中壓領(lǐng)域

主要是汽車電子和3300V以上的軌道交通和電網(wǎng)系統(tǒng)。舉例子：特斯拉是使用碳化硅（SiC）器件最早的一個汽車制造商，使用的型號是model3。在中低壓領(lǐng)域，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為競爭關(guān)系，更傾向于氮化鎵（GaN）。在中低壓碳化硅（SiC）已經(jīng)有非常成熟的二極管和MOSFET產(chǎn)品在市場當中推廣應用。

3、在高壓領(lǐng)域

碳化硅（SiC）有著獨一無二的優(yōu)勢。但迄今為止，在高壓領(lǐng)域現(xiàn)在還沒有一個成熟的產(chǎn)品的推出，全球都在處于研發(fā)的階段。

4、電動車是碳化硅（SiC）的最佳應用場景

豐田的電驅(qū)動模塊（電動車的核心部件），碳化硅（SiC）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(yōu)化零部件在車上的布置，節(jié)省更多的空間。

特斯拉Model 3 電驅(qū)動模塊：采用24 顆意法半導體碳化硅（SiC）器件，豐田也計劃2020年推出搭載碳化硅（SiC）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(yè)務和豐田開展合作。

九、碳化硅（SiC）外延技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

隨著碳化硅（SiC）器件在各個領(lǐng)域的應用不斷拓展，碳化硅（SiC）外延技術(shù)也將迎來新的發(fā)展機遇。

1、大尺寸襯底與厚膜外延

為了滿足高壓、大功率電力電子器件的需求，碳化硅（SiC）外延技術(shù)將向大尺寸襯底和厚膜外延方向發(fā)展。通過優(yōu)化生長工藝和設(shè)備設(shè)計，可以實現(xiàn)更大尺寸的碳化硅（SiC）襯底和更厚的外延層生長，從而提高器件的功率密度和可靠性。

2、新型外延技術(shù)

隨著材料科學和技術(shù)的不斷進步，新型外延技術(shù)如分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）等將逐漸應用于碳化硅（SiC）外延片的制造中。這些新型技術(shù)具有生長溫度低、表面質(zhì)量高等優(yōu)點，有望進一步提高碳化硅（SiC）外延片的質(zhì)量和性能。

3、智能化與自動化

碳化硅（SiC）外延技術(shù)的智能化和自動化將成為未來發(fā)展的重要趨勢。通過引入先進的自動化設(shè)備和智能控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)碳化硅（SiC）外延生長過程的精確控制和優(yōu)化管理，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4、環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展

在環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的大背景下，碳化硅（SiC）外延技術(shù)也將向綠色、環(huán)保方向發(fā)展。通過優(yōu)化生長工藝和降低能耗等措施，可以減少碳化硅（SiC）外延片制造過程中的環(huán)境污染和資源消耗，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標。

十、廣東天域半導體公司重點介紹

目前國內(nèi)外碳化硅（SiC）外延技術(shù)已經(jīng)取得較大進展，產(chǎn)業(yè)界也已成功實現(xiàn)6-8英寸碳化硅（SiC）外延批量生產(chǎn)，但8英寸的良率和品質(zhì)還遠不如6英寸的水平，需要從優(yōu)選8英寸碳化硅（SiC）襯底和優(yōu)化外延工藝兩方面來不斷突破。碳化硅（SiC）行業(yè)致力于不斷降本增效，未來將開發(fā)單腔多片式8英寸碳化硅（SiC）外延設(shè)備是重要發(fā)展趨勢。高質(zhì)量大尺寸厚膜外延也是提高器件耐壓特性的關(guān)鍵，如何在提高外延生長速度的同時確保外延層的高質(zhì)量是碳化硅（SiC）同質(zhì)外延面臨的重要挑戰(zhàn)。為了使器件的性能能夠進一步提升，通過外延來實現(xiàn)部分器件結(jié)構(gòu)，主要是開發(fā)碳化硅（SiC）外延溝槽填充技術(shù)，進一步降低器件的導通電阻。近期液相法已生長出3C-SiC及P型4H-碳化硅（SiC）襯底，在這兩種新型襯底上的外延工藝及技術(shù)也有待研究及開發(fā)。

講到這里，不得不重點介紹一下：廣東天域半導體，它作為中國首批第三代半導體公司之一，天域半導體一直是推動碳化硅（SiC）外延片行業(yè)的先行者。隨著碳化硅（SiC）行業(yè)的主流外延片由4英吋發(fā)展到6英吋，以及已量產(chǎn)的8英吋發(fā)展的趨勢，公司一直在引領(lǐng)該等發(fā)展。根據(jù)弗若斯特沙利文的資料，天域半導體是中國首批實現(xiàn)4英吋及6英吋碳化硅（SiC）外延片量產(chǎn)的公司之一，及中國首批擁有量產(chǎn)8英吋碳化硅（SiC）外延片能力的公司之一。截至2024年10月31日，天域半導體6英吋及8英吋外延片的年度產(chǎn)能約為420000片，這使公司成為中國具備6英吋及8英吋外延片產(chǎn)能的最大公司之一，憑借先發(fā)優(yōu)勢，目前產(chǎn)品市占率國內(nèi)第一、全球前三。

通過自主研發(fā)，天域半導體已掌握生產(chǎn)600–30000V單極型及雙極型功率器件所需整個碳化硅（SiC）外延片生產(chǎn)周期的必要核心技術(shù)及工藝。公司的產(chǎn)品范圍全面，以行業(yè)領(lǐng)先的性能指標為特征。天域半導體目前提供4英吋及6英吋碳化硅（SiC）外延片，并已開始量產(chǎn)8英吋外延片。

作為第三代碳化硅（SiC）半導體材料的核心供應商，受益于中國及全球新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)近年來的迅速發(fā)展，天域半導體產(chǎn)品出貨量顯著增加。于往績記錄期間，公司的銷量(包括自制外延片及按代工服務方式銷售的外延片)由2021年的17001片增至2022年的44515片，并進一步增至2023年的132072片，復合年增長率為178.7%。

寫在最后面的話

碳化硅（SiC）外延技術(shù)在碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)著核心地位，其質(zhì)量和性能直接決定著碳化硅（SiC）器件的整體表現(xiàn)。隨著碳化硅（SiC）器件在各個領(lǐng)域的應用不斷拓展，碳化硅（SiC）外延技術(shù)也將迎來新的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。通過不斷優(yōu)化生長工藝和設(shè)備設(shè)計、引入新型外延技術(shù)、實現(xiàn)智能化與自動化以及推動環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展等措施，可以進一步提高碳化硅（SiC）外延片的質(zhì)量和性能，為碳化硅（SiC）器件的廣泛應用提供有力支持。

在未來的發(fā)展中，碳化硅（SiC）外延技術(shù)將繼續(xù)發(fā)揮其在碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)鏈中的核心作用，推動碳化硅（SiC）器件在電力電子、光電子、射頻器件等領(lǐng)域取得更加廣泛的應用和突破。同時，我們也期待著碳化硅（SiC）外延技術(shù)在不斷創(chuàng)新和進步中，為人類社會帶來更加高效、環(huán)保和可持續(xù)的能源解決方案。

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審核編輯 黃宇