01.碳化硅外延

    外延工藝是整個產業(yè)中的一種非常關鍵的工藝，由于現(xiàn)在所有的器件基本上都是在外延上實現(xiàn)，所以外延的質量對器件的性能是影響是非常大的，但是外延的質量它又受到晶體和襯底。加工的影響，處在一個產業(yè)的中間環(huán)節(jié)，對產業(yè)的發(fā)展起到非常關鍵的作用。

    碳化硅功率器件與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。

碳化硅一般采用PVT方法，溫度高達2000多度，且加工周期比較長，產出比較低，因而碳化硅襯底的成本是非常高的。

    碳化硅外延過程和硅基本上差不多，在溫度設計以及設備的結構設計不太一樣。

在器件制備方面，由于材料的特殊性，器件過程的加工和硅不同的是，采用了高溫的工藝，包括高溫離子注入、高溫氧化以及高溫退火工藝。

02.SiC外延片是SiC產業(yè)鏈條核心的中間環(huán)節(jié)

    目前碳化硅和氮化鎵這兩種芯片，如果想最大程度利用其材料本身的特性，較為理想的方案便是在碳化硅單晶襯底上生長外延層。

    碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。實際應用中，寬禁帶半導體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底，包括GaN外延層的襯底。

    我國SiC外延材料研發(fā)工作開發(fā)于“九五計劃”，材料生長技術及器件研究均取得較大進展。主要研究單位有中科院半導體研究所、中電集團13所和55所、西安電子科技大學等，產業(yè)化公司主要是東莞天域和廈門瀚天天成。目前我國已研制成功6英寸SiC外延晶片，且基本實現(xiàn)商業(yè)化?？梢詽M足3.3kV及以下電壓等級SiC電力電子器件的研制。不過，還不能滿足研制10kV及以上電壓等級器件和研制雙極型器件的需求。

碳化硅材料的特性從三個維度展開：

1.材料的性能，即物理性能：禁帶寬度大、飽和電子飄移速度高、存在高速二維電子氣、擊穿場強高。這些材料特性將會影響到后面器件的性能。

2. 器件性能：耐高溫、開關速度快、導通電阻低、耐高壓。優(yōu)于普通硅材料的特性。反映在電子電氣系統(tǒng)和器件產品中。

3. 系統(tǒng)性能：體積小、重量輕、高能效、驅動力強。

    碳化硅的耐高壓能力是硅的10 倍，耐高溫能力是硅的2 倍，高頻能力是硅的2 倍；相同電氣參數(shù)產品，采用碳化硅材料可縮小體積50%，降低能量損耗80%。

    這也是為什么半導體巨頭在碳化硅的研發(fā)上不斷加碼的原因：希望把器件體積做得越來越小、能量密度越來越大。

    硅材料隨著電壓的升高，高頻性能和能量密度不斷在下降，和碳化硅、氮化鎵相比優(yōu)勢越來越小。

    碳化硅主要運用在高壓環(huán)境，氮化鎵主要集中在中低壓的領域。造成兩者重點發(fā)展的方向有重疊、但各有各的路線。通常以650V 作為一個界限：650V以上通常是碳化硅材料的應用，650V 以下比如一些消費類電子上氮化鎵的優(yōu)勢更加明顯。

SiC外延片關鍵參數(shù)

    碳化硅外延材料的最基本的參數(shù)，也是最關鍵的參數(shù)，就右下角黃色的這一塊，它的厚度和摻雜濃度均勻性。

    我們所講外延的參數(shù)其實主要取決于器件的設計，比如說根據(jù)器件的電壓檔級的不同，外延的參數(shù)也不同。

    一般低壓在600伏，我們需要的外延的厚度可能就是6個μm左右，中壓1200~1700，我們需要的厚度就是10~15個μm。高壓的話1萬伏以上，可能就需要100個μm以上。所以隨著電壓能力的增加，外延厚度隨之增加，高質量外延片的制備也就非常難，尤其在高壓領域，尤其重要的就是缺陷的控制，其實也是非常大的一個挑戰(zhàn)。

03.碳化硅外延技術進展情況

    在低、中壓領域，目前外延片核心參數(shù)厚度、摻雜濃度可以做到相對較優(yōu)的水平。但在高壓領域，目前外延片需要攻克的難關還很多，主要參數(shù)指標包括厚度、摻雜濃度的均勻性、三角缺陷等。

    在中、低壓應用領域，碳化硅外延的技術相對是比較成熟的。

    基本上可以滿足低中壓的SBD、JBS、MOS等器件的需求。如上是一個1200伏器件應用的10μm的外延片，它的厚度、摻雜濃度了都達到了一個非常優(yōu)的水平，而且表面缺陷也是非常好的，可以達到0.5平方以下。

    在高壓領域外延的技術發(fā)展相對比較滯后，如上是2萬伏的器件上的200μm的一個碳化硅外延材料，它的均勻性、厚度和濃度相對于上述介紹的低壓差很多，尤其是摻雜濃度的均勻性。

同時，高壓器件需要的厚膜方面，目前的缺陷還是比較多的，尤其是三角形缺陷，缺陷多主要影響大電流的器件制備。大電流需要大的芯片面積。同時它的少子壽命目前也比較低。

04.應用領域

    從終端應用層上來看在碳化硅材料在高鐵、汽車電子、智能電網(wǎng)、光伏逆變、工業(yè)機電、數(shù)據(jù)中心、白色家電、消費電子、5G通信、次世代顯示等領域有著廣泛的應用，市場潛力巨大。

在應用上，分為低壓、中壓和高壓領域

在低壓領域：主要是針對一些消費電子，比如說PFC、電源；舉例子：小米和華為推出來快速充電器，所采用的器件就是氮化鎵器件。

在中壓領域：主要是汽車電子和3300V以上的軌道交通和電網(wǎng)系統(tǒng)。舉例子：特斯拉是使用碳化硅器件最早的一個汽車制造商，使用的型號是model3。

在中低壓領域，碳化硅和氮化鎵為競爭關系，更傾向于氮化鎵。在中低壓碳化硅已經(jīng)有非常成熟的二極管和MOSFET產品在市場當中推廣應用。

在高壓領域：碳化硅有著獨一無二的優(yōu)勢。但迄今為止，在高壓領域現(xiàn)在還沒有一個成熟的產品的推出，全球都在處于研發(fā)的階段。

    電動車是碳化硅的最佳應用場景。