中國粉體網訊 與傳統硅功率器件制作工藝不同，SiC功率器件不能直接制作在SiC單晶材料上，必須在導通型SiC單晶襯底上使用外延技術生長出高質量的外延材料，然后在外延層上制造各類器件。之所以不直接在SiC襯底上制造SiC器件，一方面是由于襯底的雜質含量較高，且電學性能不夠好；另一方面是摻雜難度大，即使采用離子注入的方式，也需要后續的高溫退火，遠不如在外延層上的摻雜效果好。因此，制造出外延層的摻雜濃度和厚度符合設計要求的SiC器件至關重要。
SiC外延技術發展
SiC同質外延技術研究需要基于SiC襯底開展，因此研發時間晚于SiC襯底，最早于20世紀60年代開始。研究人員主要采用了液相外延法和CVD法進行SiC同質外延。但由于SiC存在200多種晶體結構，外延生長時存在嚴重的多型夾雜問題，因此早期獲得的外延材料質量都很差，這也制約了SiC 器件的發展。
第一個突破性的里程碑是在1987年，日本的Kuroda等人和美國的Kong等人各自相繼提出了臺階流外延生長模型，在6H-SiC襯底上進行完美多型體復制，并給出了最優偏離晶向和偏角。
6H-SiC襯底臺階流外延生長模型
代表SiC晶型的堆垛順序信息主要在SiC襯底表面臺階的側向，通過SiC襯底表面偏角度的控制，使得同質外延在襯底表面原子臺階處側向生長，從而繼承襯底的堆垛次序，通過臺階流生長實現晶型的完美復制。
制備高質量的碳化硅外延，要依靠先進的工藝和設備。目前，碳化硅外延技術已與碳化硅外延設備高度融合。
SiC外延技術發展的第二個標志性里程碑是熱壁（溫壁）CVD反應室設計。傳統冷壁CVD反應腔室結構較為簡單，但存在一些缺點，如晶片表面法線方向的溫度梯度非常大，導致SiC晶片翹曲比較嚴重；另外冷壁CVD加熱效率比較低，熱輻射損耗嚴重。通過熱壁CVD反應室，溫度梯度得到顯著降低，容易實現良好的溫度均勻性，這對于產業化生產至關重要。
第三個里程碑是氯基快速外延生長技術。傳統SiC的CVD生長技術通常使用硅烷和碳氫化合物作為反應氣體，氫氣作為載氣，氣相中Si團簇容易形成Si滴，導致外延生長工藝窗口相對較窄，同時也限制了外延生長的速率。通過引入氯基化學成分（通常有TCS，或者HCl）可以極大地抑制Si團簇，目前已成功應用于SiC快速外延生長中。
從微觀結構看SiC晶體生長
SiC單晶的工業制備主要通過氣固相變過程，如物理氣相傳輸（PVT）或熱化學氣相沉積（HTCVD）法。這一過程中，氣相原子沉積在晶體表面，會以三種方式生長：
▶島狀生長（Volmer-Weber, VW）：原子更傾向與自己結合，易形成晶島；
▶層狀生長（Frank–van der Merwe, FM）：原子更傾向與襯底結合，形成平整薄層；
▶混合生長（Stranski–Krastanov, SK）：先形成一層薄層，隨后轉為島狀結構。
其中，島狀生長極易誘發不同晶型（如3C-SiC）雜相的出現，形成可擴展的三角形缺陷。而層狀生長則有助于抑制雜相生成，形成高質量的同質外延層。
然而，實現理想的層狀生長，需要一個關鍵前提：在晶體表面引入微觀“臺階結構”。這就需要將晶錠端面切割出一個微小偏離理想晶向的角度，即所謂的“傾角”。這個傾斜角度能形成密集的微臺階，有利于原子有序排列，抑制自發成核和雜質相生成，從而提高4H-SiC外延層的結晶質量。
2025年8月21日，中國粉體網將在蘇州舉辦第三代半導體SiC晶體生長及晶圓加工技術研討會。屆時，來自西安交通大學能源與動力工程學院陳雪江副教授將帶來《SiC晶體外延生長微觀機理研究》的報告。
來源：
郭鈺等：碳化硅同質外延質量影響因素的分析與綜述
光學量檢測：SiC端面傾角與參考邊測量技術解析
碳化硅芯觀察：【干貨】SiC外延工藝介紹及摻雜環節與監測重點
（中國粉體網編輯整理/空青）
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