以碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料具有远大于Si和GaAs等第一、二代半导体材料的带隙宽度，且还具备击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射等优异特性，更加适应于电力电子、微波射频和光电子等高压、高温、高频和高可靠性的应用领域领域。但与传统硅功率器件制作工艺不同，SiC功率器件一般不直接制作在SiC单晶材料上，而必须在SiC单晶衬底上使用外延技术生长出高质量的外延材料上制作各类器件。

为何需要再SiC上生长外延？

SiC是一种Si元素和C元素以1:1比例形成的二元化合物，其基本结构为 Si-C 四面体，其中 Si-Si 键键能大小高达 310 kJ/mol，Si-C键键能高达 447 kJ/mol，因此相较于传统的硅基半导体材料，碳化硅基半导体材料化学性质更加稳定，导致其单晶无法通过熔融的办法直接结晶，而只能通过气化之后从蒸汽里一点点结晶，生长十分缓慢，大约一个月仅能生长2cm，若直接在SiC衬底上集成器件难以实现大规模生产。

碳化硅晶体结构示意图（来源：半导体全解）

更重要的是，由于碳化硅衬底在生长过程中可能存在各种缺陷，如晶界、位错、杂质等，可能会严重影响器件的性能和可靠性。而外延技术可以精确控制外延层的掺杂类型和浓度，以及外延层的厚度，从而可以在衬底上形成一层新的、晶体结构完整、缺陷较少的外延层，从而显著提高器件的质量和可靠性，因此，SIC衬底外延技术是推动SIC功率器件在生产生活中应用的关键。

SiC上如何生长外延？

通常，SiC衬底外延可通过化学气相沉积技术(CVD)、液相外延技术(LPE)和分子束外延技术（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）等技术生长：

1、化学气相沉积技术(CVD)：

CVD技术是将含有最终所需产物元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸汽及反应所需其它气体引入一个受到外界能量激活的环境中，发生化学反应，进而生成所需的稳定的固体产物沉积在特殊处理过的固体表面的一种技术。例如，利用CVD法生长SiC同质外延时，常使用硅烷和碳氢化合物作为反应气体，氢气作为载气，氯化氢作为辅助气体，或使用三氯氢硅(TCS)作为硅源代替硅烷和氯化氢，在约1 600 ℃的温度条件下，反应气体分解并在SiC衬底表面外延生长SiC薄膜。这种方法可以在较高生长速率下获得高质量外延层，可以对SiC外延层的厚度实现精确控制，并且能够可控实现SiC原位掺杂等多种优点，已成为SiC外延生长的主流技术。

（来源：半导体信息 ）

2、液相外延技术（LPE）

LPE技术是以低熔点的金属为溶剂，以待生长材料和掺杂剂为溶质，使溶质在溶剂中呈饱和或过饱和状态。通过降温冷却使石墨舟中的溶质从溶剂中析出，在单晶衬底上定向生长一层晶体结构和晶格常数与单晶衬底足够相似的晶体材料，使晶体结构得以延续，实现晶体的外延生长。该方法能够在相对较低的温度下生长出具有优良晶格匹配的外延层，减少了因高温而产生的缺陷。但是，LPE的生长速率较慢，对于大规模工业生产而言，效率不高。

（来源：晶格半导体）

3、分子束外延（MBE）

MBE外延生长是在超高真空环境下（10-10Torr）以高温蒸发的方式将源材料裂解为气体分子以产生分子束流，产生的分子束流在衬底表面经吸附、分解、迁移、成核、生长等过程使原子进入晶格位置完成外延生长。由于该技术在超高真空环境下进行，它能够实现极高的层厚和掺杂浓度控制精度，制备出质量极高的SiC外延层。但是，与LPE一样存在生长速率慢，且运行成本相对较高的缺点。

（来源：晶格半导体）

4、金属有机化学气相沉积（MOCVD）

MOCVD主要以III族或II族元素的有机化合物和V族或VI族元素的氧化物或氢化物等作为晶体生长的原材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，例如，GaN外延大多就利用MOCVD技术，以三甲基镓（TMGa）为镓源，以NH₃为反应气体，以高纯度的N₂为载气，在高温条件下实现在SiC衬底上生长，具有产品质量优，生长周期短，产量高，但存在原料价格昂贵，需要精密控制反应过程的缺点。

不同外延层的SiC器件应用差异

目前，除了可在SIC衬底上生长的同质外延外，还可生长氮化镓（GaN）、氧化镓（Ga₂O₃）等异质外延。

1、SiC同质外延

Si同质外延层是在导电型碳化硅衬底表面生长一层碳化硅外延层，由于与衬底材料一致，通常具有较高的晶体质量和较低的缺陷密度，常用于制造高可靠性、高性能、高功率的电子器件，如电力电子器件、激光器、探测器等。不过由于SiC存在200多种晶体结构，不同的晶体结构适用的应用领域也有差异，其中4H-SiC的禁带宽度较大、载流子迁移率较高、掺杂剂离化能较低，成为了SiC功率电子领域最常用的衬底材料之一。

值得注意的是，为了调整和控制半导体材料的电学性质，外延生长过程中往往需要进行掺杂，增加半导体中的自由电子或空穴（载流子）的数量，而掺杂浓度与均匀性的调控需要控制较低的外延生长速度，但是为了保证器件具有较高耐电压性，需要保证外延层具有一定的厚度，而利用CVD法制备的厚膜外延有需要高的生长速度，因而在外延生长过程中，需要基于外延目的调控外延生长参数，最终获得符合要求的外延材料。

2、基于SiC衬底的GaN异质外延（GaN-on-Si）

SiC异质外延是在半绝缘型碳化硅衬底上生长一层与衬底不同的单晶材料，由于与衬底材料的晶体结构存在差异，容易产生缺陷和应力，通常具有较低的晶体质量和较高的缺陷密度，但其与衬底材料的性能、结构差异也为探索新型器件提供了可能，可用于制造特殊性能的电子器件。比如以氮化镓为代表的Ⅲ族氮化物的禁带宽度在0.7～6.2 eV范围内连续可调，且具有高电子饱和漂移速度、耐高温、大功率密度等优点，作为外延层在射频器件领域具有广阔的应用前景。

不过，目前在SiC衬底上外延GaN时，GaN外延层的质量易受衬底表面氧化层、亚表面损伤层、缺陷等的影响，因此SiC衬底的表面处理十分关键，目前通过采取化学机械抛光已做到基本无划痕。除此之外，Ga原子在SiC衬底表面浸润性差，直接在SiC衬底表面生长GaN生长速度慢、材料质量差，还存在的堆垛层错缺陷问题以及晶格失配与热失配问题等，易产生高密度的缺陷，以及易导致面内载流子分离以及器件漏电等问题的出现，需要通过采用AlN或AlGaN缓冲层、图形化衬底、掩膜等方法来有效改善SiC表面浸润层，调控应力释放，技术较为复杂，因此目前仍需要进一步探索如何在SiC衬底上直接外延高质量GaN。

SiC衬底直接外GaN和引入AlN缓冲层的GaN外延

3、基于SiC衬底的Ga₂O₃外延

Ga₂O₃作为新兴宽禁带半导体材料，在电学特性方面，具有超宽带隙特性（4.8 ～5.1 eV），且其击穿场强理论上可以达到8 MV/cm，是硅的20倍以上，氮化镓的2.5倍、碳化硅的3倍多；同时，氧化镓功率器件品质因子（如直流低损耗Baliga品质因子等）明显优于碳化硅、氮化镓等。因此，在功率器件上使用氧化镓可显著提升器件输出电流密度和功率密度，在低频、高压领域有潜在的应用前景。不过其极低的热导率（0．11 W/( cm·K) ）限制了其在部分场景的应用，因此作为外延材料在具有良好导热性以及晶格较为匹配的SiC衬底上进行生长成为了热点研究方向，有望对现有的SiC及GaN技术形成技术互补。不过，如何获得晶相统一、表面平坦的单晶薄膜尚需要继续研究。

参考文献：

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4、VC金水河，《浅析碳化硅外延技术》.

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