碳化硅外延晶片行业定义、技术水平及特点
思瀚产业研究院 天成电子    2024-01-10

碳化硅外延晶片是指在碳化硅衬底的基础上，经过外延工艺生长出晶格一致、高纯度、低缺陷的特定单晶薄膜。由于采用升华法制备的单晶衬底无法实现对载流子浓度的精密控制，且无法有效降低晶体缺陷，因此需要在衬底上生长高质量的外延层方可用于器件制造，即外延生长技术是碳化硅器件必不可少的环节，外延质量对器件性能影响极大。

① 外延晶片类别

按照晶格堆垛结构的不同，常见的碳化硅单晶材料（衬底和外延）主要包括以下三种晶型：3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC。由于原子堆垛结构的差异，导致 4H-SiC 在垂直型方向拥有更高的临界电场强度、电子迁移率和更低的导电各向异性，因此 4H-SiC 更适合商业化的垂直型功率器件（SBD 和 MOSFET），对应 SBD 和 MOSFET 器件特性也优于 3C-SiC 和 6H-SiC 单极型器件的理论极限。

按照电学性能不同，碳化硅单晶材料可分为导电型和半绝缘型两种，通常导电型对应同质外延、半绝缘型对应异质外延，其中同质外延指导电型碳化硅衬底搭配碳化硅外延，进一步制成 SBD、MOSFET 等功率器件，主要应用于电子电力领域，例如新能源汽车中的逆变器、转换器、电机驱动器和车载充电机等。异质外延指半绝缘型碳化硅衬底搭配氮化镓外延，可进一步制成 HEMT 等微波射频器件，该外延晶片适用于高频、高温工作环境，主要应用于射频领域。

在导电型碳化硅材料中，根据掺杂元素的不同，可以区分 N 型、P 型和 PN 多层材

料。

（1）N 型碳化硅外延晶片是在生长外延层的过程中使用氮（N）元素进行掺杂形成。氮与硅结合后多出一个自由电子，为其导电性的主要来源。

（2）P 型碳化硅外延晶片是在生长外延层的过程中使用铝（Al）元素进行掺杂形成。铝和碳结合后，会缺失一个电子，形成空穴，而空穴吸引束缚电子移动使得 P 型碳化硅外延晶片具有导电性。

（3）PN 多层碳化硅外延晶片是指在衬底上生长两层或数层外延，每层外延生长分别用氮元素或铝元素进行掺杂，形成 N 型、P 型外延层叠加的结构。N 型碳化硅同质外延晶片是碳化硅功率器件厂商主要使用的型号，应用于新能源车、光伏、工业电源领域所需碳化硅功率器件（如 SBD 与 MOSFET）的工业化生产；P 型和 PN 多层碳化硅同质外延晶片，由于物理特性（例如 P 型垂直方向载流子迁移速率较低）和行业应用领域（例如智能电网应用的双极型超高耐压器件）仍需开发，行业内出货量较少。

② 外延晶片制备方法

现阶段碳化硅外延制备主要通过化学气相沉积（CVD）方法。CVD 法可以有效控制生长过程中气体源流量、反应室温度以及压力，改变成膜环境，可以精准控制外延生长参数，具有重复性良好，设备体积适中的优良特点，成为商业化碳化硅外延生长技术中短期内的主流生长技术。理论上液相外延法和分子束外延法也可以生长碳化硅外延片，但是上述两种方法所生长外延片质量、效率、成本均大幅落后于 CVD 法，不适合应用于商业化生长。