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耐高温高压高频，碳化硅电气性能优异 ···· ···· ···· 碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料的代表，在禁带宽度、击穿电场、热导率、电子饱和速率、抗辐射能力等关键参数方面具有显著优势，满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求，主要被用于制作高速、高频、大功率及发光电子元器件，下游应用领域包括智能电网、新能源汽车、光伏风电、5G通信等，在功率器件领域，碳化硅二极管、MOSFET已经开始商业化应用。耐高温。碳化硅的禁带宽度是硅的 2-3 倍，在高温下电子不易发生跃迁，可耐受更高的工作温度，且碳化硅的热导率是硅的 4-5倍，使得器件散热更容易，极限工作温度更高。耐高温特性可以显著提升功率密度，同时降低对散热系统的要 求，使终端更加轻量和小型化。
耐高压。碳化硅的击穿电场强度是硅的10倍，能够耐受更高的电压，更适用于高电压器件。耐高频。碳化硅具有2倍于硅的饱和电子漂移速率，导致其器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，能有效提高器件的开关频率，实现器件小型化。低能量损耗。碳化硅相较于硅材料具有极低的导通电阻，导通损耗低；同时，碳化硅的高禁带宽度大幅减少泄漏电流，功率损耗降低；此外，碳化硅器件在关断过程 中不存在电流拖尾现象，开关损耗低。
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工艺难度大幅增加，长晶环节是瓶颈 ···· ···· ···· 碳化硅从材料到半导体功率器件会经历单晶生长、晶锭切片、外延生长、晶圆设计、制 造、封装等工艺流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶锭，然后经过切片、打磨、抛光 得到碳化硅衬底，经外延生长得到外延片。外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、金属钝化等工艺得到碳化硅晶圆，将晶圆切割成die，经过封装得到器件，器件组合在一起放入特殊外壳中组装成模组。
2.1、衬底：晶体生长为最核心工艺环节，切割环节为产能瓶颈
以高纯碳粉、高纯硅粉为原料合成碳化硅粉，在特殊温场下生长不同尺寸的碳化硅晶锭， 再经过多道加工工序产出碳化硅衬底。核心工艺流程包括：原料合成：将高纯的硅粉+碳粉按配方混合，在2000°C以上的高温条件下于反应 腔室内进行反应，合成特定晶型和颗粒度的碳化硅颗粒。再通过破碎、筛分、清洗 等工序，得到满足要求的高纯碳化硅粉原料。晶体生长：为碳化硅衬底制造最核心工艺环节，决定了碳化硅衬底的电学性质。目 前晶体生长的主要方法有物理气相传输法（PVT）、高温化学气相沉积法（HT-CVD） 和液相外延（LPE）三种方法，物理气相传输法为市场主流工艺。晶体加工：通过晶锭加工、晶棒切割、研磨、抛光、清洗等环节，将碳化硅晶棒加 工成衬底。
2.1.1、晶体生长：条件控制严、长晶速度慢和晶型要求高为主要技术难点 在晶体生长和晶体加工环节均存在技术难点。晶体生长环节，条件控制严、长晶速度慢 和晶型要求高为主要技术难点。碳化硅晶体的生长温度在2300°C 以上，对温度和压力的控 制要求高；此外，碳化硅有 250 多种同分异构体，其中 4H-SiC 为主流，因此需要严格控制硅碳比、生长温度梯度及气流气压等参数才能生长出理想晶体；同时PVT法长晶非常缓慢， 速度约为0.3-0.5mm/h，7天才能生长2cm，最高仅能生长3-5cm，因此碳化硅晶锭的直径也多为 4 英寸、6 英寸，而硅基72h 即可生长至2-3m的高度，直径多为6英寸、8英寸，新投产能则多为12英寸。晶体生长主要有物理气相传输法（PVT）、高温化学气相沉积法（HT-CVD）和液相外延 （LPE）三种方法，其中 PVT 法是现阶段商业化生长SiC衬底的主流方法，技术成熟度最 高、工程化应用最广。
PVT 法利用“升华-转移-再生长”原理生长碳化硅晶体。高纯度碳粉与硅粉按特定比例 混合，将形成的高纯度碳化硅微粉与籽晶分别放置生长炉内坩埚的底部和顶部，温度升高至 2000°C以上，控制坩埚下部温度略高于顶部，形成温度差，碳化硅微粉升华成气态 Si，SiC2 和 Si2C 后，在籽晶处重新结晶生长形成碳化硅晶锭。PVT法长晶速度慢，需要约7天才能生长约2cm，且副反应较多，原料的非一致升华导致生成 SiC晶体的缺陷密度较高。
HT-CVD 法是指在 2000~2500℃下，导入高纯度的硅烷、乙烷或丙烷、氢气等气体，先在高温区生长腔反应形成碳化硅气态前驱物，再经由气体带动进入低温区的籽晶端前沉积成 碳化硅晶体。HT-CVD 法可持续向炉腔供应气体原料，晶体可持续生长；使用高纯气体为原料，碳化硅晶体纯度更高，且通过控制原料气流量比，能有效控制掺杂量、晶型等，生成碳化硅晶体缺陷较少。但HT-CVD法的长晶速度较慢，约0.4-0.5mm/h，工艺设备昂贵，耗材成本高，长晶过程中进气口和排气口易堵塞。
LPE 法利用“溶解-析出”原理生长碳化硅晶体，在1400-1800℃下将碳溶解在高温纯硅 溶液中，再从过饱和溶液中析出碳化硅晶体，需添加助熔剂增大C的溶解度。LPE 法长晶 温度较低，减少了冷却时由热应力导致的位错，碳化硅晶体位错密度低，结晶质量高，可实现无微管缺陷晶体生长。同时，在助熔液中增加 Al 可获得高载流子浓度的 p 型 SiC 晶体，且相比 PVT 法，溶液法长晶速度提高了 5 倍左右；但存在碳化硅晶体中金属残留的问题，且生长的晶体尺寸小，目前仅用于实验室生长。
2.1.2、晶体加工：切片和薄化为主要技术难点
晶体加工环节，切片和薄化为主要技术难点。碳化硅衬底的质量和精度直接影响外延的 质量及器件的性能，因此晶片表面需光滑、无缺陷、无损伤，粗糙度值在纳米级以下。然而由于碳化硅晶体高硬、高脆、耐磨性好、化学性质极其稳定，使得衬底加工非常困难。碳化 硅衬底的加工过程主要分为切片、薄化和抛光。
切片是碳化硅单晶加工过程的第一道工序，决定了后续薄化、抛光的加工水平，是整个 环节的最大产能瓶颈所在。现有的碳化硅晶圆切片大多使用金刚石线锯，但碳化硅硬度高， 需要大量的金刚石线锯和长达数小时的加工时间，且切片过程中多达 40%的晶锭以碳化硅 粉尘的形式成为废料，单个晶锭生产出的晶圆数量少，造成碳化硅功率器件成本高昂。许多国外企业采用更为先进的激光切割和冷分离技术提高切片效率，如2016年DISCO开发的激光切片技术不用经历研磨过程，仅需10分钟就能切出一片6英寸碳化硅晶圆，生产效率提升3-5倍。
碳化硅切片的薄化主要通过磨削与研磨实现，但碳化硅断裂韧性较低，在薄化过程中易开裂，导致碳化硅晶片的减薄非常困难。目前多使用自旋转磨削，晶片自旋转的同时主轴机构带动砂轮旋转，同时砂轮向下进给，实现减薄。自旋转磨削虽可有效提高加工效率，但砂轮经长时间使用易钝化，存在使用寿命短且晶片易产生表面与亚表面损伤的问题，未来将进一步优化单面研磨技术以实现大尺寸碳化硅晶片的加工。
2.2、外延：器件性能决定因素，厚度与掺杂浓度为关键因素
与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上， 须在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底上生长一层微米级新单晶，新单晶和衬底可以是 相同材料，也可以是不同材料，称为同质外延或异质外延。外延层可以消除晶体生长和加工时引入的表面或亚表面缺陷，使晶格排列整齐，表面形貌更优，外延的质量对最终器件的性 能起关键影响作用。
碳化硅外延的制作方法包括：化学气相淀积（CVD）、分子束外延（MBE）、液相外延法（LPE）、脉冲激光淀积和升华法（PLD）等，其中 CVD 法是最为普及的 4H-SiC 外延方法，其优势在于可以有效控制生长过程中气体源流量、反应室温度及压力，精准控制外延层的厚度、掺杂浓度以及掺杂类型，工艺可控性强。早期碳化硅是在无偏角衬底上外延生长的，受多型体混合影响，外延效果不理想。随后发展出台阶控制外延法，在不同偏角下斜切碳化硅衬底，形成高密度外延台阶，在实现低温生长的同时稳定晶型的控制。随后引入TCS，突破台阶控制外延法的限制，将生长速率大幅提升至传统方法的10倍以上。目前常用SiH4、CH4、C2H4作为反应前驱气体，N2和TMA作为杂质源，使用4°斜切的4H-SiC 衬底在1500-1650℃下生长外延。
外延参数主要取决于器件设计，其中厚度和掺杂浓度为外延片关键参数。器件电压越高， 对外延厚度和掺杂浓度均匀性要求越高，生产难度越大。在 600V 低压下，外延厚度需达 6um 左右，在1200-1700V中压下，外延厚度需达10-15um左右，而在10kV 的高压下，外延厚度需达100um以上。在中、低压应用领域，碳化硅外延的技术相对比较成熟，外延片的厚度和掺杂浓度等参数较优，基本可以满足中低压的 SBD、JBS、MOS 等器件的需求。而高压领域，外延片需要攻克掺杂浓度均匀性和控制缺陷等问题。
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