外延層是在晶圓的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)外延工藝生長(zhǎng)出特定單晶薄膜，襯底晶圓和外延薄膜合稱外延片。其中在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層制得碳化硅同質(zhì)外延片，可進(jìn)一步制成肖特基二極管、MOSFET、 IGBT 等功率器件，其中應(yīng)用最多的是4H-SiC 型襯底。

圖1.單極型器件外延層的摻雜濃度和厚度

與阻斷電壓關(guān)系曲線

碳化硅外延層的制備方法主要有：蒸發(fā)生長(zhǎng)法；液相外延生長(zhǎng)（LPE）；分子束外延生長(zhǎng)（MBE）;化學(xué)氣相沉積（CVD）。這里對(duì)這幾種制備方法做了一個(gè)基本的總結(jié)，見(jiàn)表1。化學(xué)氣相沉積（CVD）法是目前工廠大批量生產(chǎn)用的主要方法。

表1. 外延層主要制備方法的比較

在有一定傾斜角度的偏軸{0001}襯底上，如圖2(b)示意圖，臺(tái)階面的密度很大而且臺(tái)階面很小，晶體成核不容易在臺(tái)階面上發(fā)生，多發(fā)生在臺(tái)階的并入點(diǎn)出，這里只存在一種成核鍵位。所以外延層可以完美地復(fù)制襯底的堆垛次序，消除多型體共存的問(wèn)題。

圖2. 4H-SiC臺(tái)階控制外延法的物理過(guò)程示意圖

圖3. 4H-SiC臺(tái)階控制外延法CVD生長(zhǎng)臨界條件

圖4. 4H-SiC外延中不同硅源下的生長(zhǎng)速率比較

目前在中低壓應(yīng)用領(lǐng)域（比如1200伏器件），碳化硅外延的技術(shù)相對(duì)成熟。它的厚度均勻性、摻雜濃度均勻性以及缺陷分布可以做到相對(duì)較優(yōu)的水平，基本可以滿足中低壓 SBD、MOS、JBS 等器件需求。

但在高壓領(lǐng)域，目前外延片需要攻克的難關(guān)還很多。比如10000伏的器件需要的外延層厚度為100μm左右，該外延層的厚度和摻雜濃度均勻性比低壓器件的外延層差很多，尤其是摻雜濃度的均勻性，同時(shí)它的三角缺陷也破壞了器件的整體性能。在高壓應(yīng)用領(lǐng)域，器件的類型趨向于使用雙極器件，對(duì)外延層的的少子壽命要求比較高，也需要優(yōu)化工藝來(lái)提高少子壽命。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外延主要以 4 英寸和 6 英寸為主，大尺寸碳化硅外延片占比逐年遞增。碳化硅外延尺寸主要受制于碳化硅襯底尺寸，當(dāng)前 6 英寸碳化硅襯底已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用，因此碳化硅襯底外延也逐漸從 4 英寸向 6 英寸過(guò)渡。

隨著碳化硅襯底制備技術(shù)的提升及產(chǎn)能擴(kuò)張，碳化硅襯底價(jià)格正在逐步降低。在外延片價(jià)格構(gòu)成中，襯底占據(jù)了外延 50%以上的成本，隨著襯底價(jià)格的下降，碳化硅外延價(jià)格也有望降低。

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