SiC器件的外延层相关话题讨论

SiC器件的主要工艺，包含单晶衬底（Substrate）的生长，外延层（Epitaxy）的生长，器件的制作，封测等部分，外延部分是承上启下的中间环节的工艺，本文主要讨论一下SiC器件的外延层相关的话题。

外延相关的基本概念

有哪几种衬底？

首先介绍点背景知识，衬底是半导体单晶材料制作而成的晶圆片，SiC的衬底根据分类分为导电型衬底和半绝缘型衬底，这两种衬底前者主要用于制作功率器件，其外延部分为SiC,而后者主要用于做射频器件，其外延主要是GaN.

图1 不同衬底的外延区别

外延是做什么？

SiC具有多型结构，如立方，六角，棱型等，目前大概有170多种多型结构体，不同的多型体表现出来的特性也不同。外延可以是和衬底是同一种材料，即同质外延，也可以是不同种材料，即异质外延。SiC的同质外延是指，和SiC衬底具有相同聚合态的外延层生长。

SiC的外延片，是指在基于衬底进行切割，磨平，抛光等加工工艺后，在SiC的衬底上生长一层有一定要求的，和衬底晶相相同的新的单晶薄膜，这个薄膜就是外延层，生长了外延层的衬底就是外延片。这里新生的单晶按照衬底晶相延生生长，故称为外延层。

器件制作在外延层上为正外延，而器件制作在衬底上称为反外延，此时外延主要起到支撑作用。

外延层有多厚？

根据击穿电压的不同，外延具有不同的厚度，一般的，SiC器件耐压在600V左右时，外延层厚度为6um，1200V-1700V时，外延层厚度在10-15um，耐压在10kV时，外延层厚度在100um以上。器件的耐压越高，外延层越厚，则制备难度越大。

目前在中低压领域，外延片技术成熟，在高压领域，如20kV的器件需要的200um的外延片，此类外延片还有不少需要攻克的工艺，如厚度，掺杂浓度的均匀性，三角缺陷等。

为什么要有外延层？

由于SiC的体材料的质量及其表面特性不能够满足直接制造器件的要求，制作SiC的高压，大功率，高频器件需要较厚的外延层及较低的掺杂浓度。

而早在Si的时代，在1959年就开发出来薄层单晶材料生长工艺，即外延生长，它可以很好地解决高压大电流制作的需求，在电阻极低的衬底上生长一层高电阻率的外延层，器件制作在外延层上。外延层的电阻率很高，可以保证器件具有高的击穿电压，而低阻的衬底又可以确保器件具有低的串联电阻。

总的说来，通过外延层，可以获得比衬底材料更完美可控的晶体结构，有利于基于材料的应用开发。

外延制作的主要工艺分类？

根据材料生长的大分类来说，主要分为液相生长和气相生长。液相生长即从液固平衡系统中生长，而气相生长是气相中的原子或者分子从结晶界面上去不断沉积生长。

液相生长的成本低，可生长大尺寸单晶材料，可实现大规模生长，而采用气相生长方式可以得到高质量的SiC体单晶材料及外延层和异质结构。

图2 SiC的外延工艺种类

SiC的外延生长方法主要包括图2所示的几种，其中CVD化学气相沉积技术是化合物半导体外延生长的标准工艺技术，在特殊高温下的技术可以生长较厚的外延层。其它工艺技术此处不详细讨论。

在外延的生长中，气相Si和C的比例会影响外延的生长速率，外延层质量，杂质的掺入等，而CVD技术可以很好地控制Si和C的比例，所以可以满足高压大功率器件需要的厚外延层。另外，高温的化学气相法HTCVD可以很好地控制Si和C的比例之外，也可以提高生长速率。

外延片的成本如何？

相比Si材料，SiC材料的单晶生长速度慢，晶锭长度短，材料硬度高，不易切割，抛光，磨平等，因此SiC材料的高质量，可靠性生产比较难，所以目前市场价格相对较高。

而对于外延片来说，衬底和外延部分材料成本会占到成本的70%以上，所以降低衬底的成本对降低外延片的成本很重要，一般来说，可以通过增加SiC衬底的尺寸，提高衬底的可用厚度，减小衬底的缺陷密度来降低衬底的成本。

基于SiC衬底,通过CVD技术制作高质量的外延层，在外延层上进行器件开发，这样也可以降低单位成本。

而随着市场需求的增加，相关企业的产能利用率会得到很好地利用，SiC衬底和外延片的价格也会逐步降低。

总结，本文主要概括性的讨论了和SiC外延相关的一些基础话题，为后续进一步深入讨论奠定基础。

参考资料：

科普 | 半导体器件为什么需要“外延层” - 知乎 (zhihu.com)

聊聊 SiC 外延那些事儿~-控制器/处理器-与非网 (eefocus.com)