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。