SiC外延生長技術是SiC功率器件制備的核心技術之一，外延質量直接影響SiC器件的性能。目前應用較多的SiC外延生長方法是化學氣相沉積（CVD），本文簡要介紹其生產過程及注意事項。

SiC有多種穩定的晶體多型（polytype）。因此，為了使獲得的外延生長層能夠繼承SiC襯底的特定晶體多型，需要將襯底的原子三維排列信息傳遞給外延生長層，這需要一些巧妙的設計和方法。其中一種SiC外延生長法，在SiC襯底的低指數晶面上小偏角方向上，用適當的生長條件，進行化學氣相沉積（CVD）。這種方法是由京都大學名譽教授松波弘之等人發現的，稱為臺階控制外延生長法（Step-Controlled Epitaxy）。

圖1展示了使用臺階控制外延生長法進行SiC外延生長的概念圖。通過清潔具有偏角的SiC襯底表面，形成分子層級的臺階和臺面結構。當原料氣體流動時，原料被供應到該表面，原料在臺面移動，并被分布在各處的臺階捕獲。捕獲的原料在該位置上形成與作為基底的SiC襯底晶體多型一致的排列，從而使外延層得以生長。

圖1：帶有（0001）偏角的襯底上SiC外延生長概念圖

在臺階控制外延生長中，當生長條件不合適時，原料在臺面上而不是在臺階上成核并生成晶體，因此會生長出不同的晶體多型。混入外延層中的異種多型對器件來說是致命的缺陷，因此在臺階控制外延生長中，需要設置合適的偏角，以獲得適當的臺階寬度，并優化原料氣體中Si原料和C原料的濃度、生長溫度等條件，選擇在臺階上優先形成晶體的條件。目前市場上銷售的4H型SiC襯底的表面呈現4°偏角（0001）面，是基于臺階控制外延生長的要求以及增加從boule中獲得的晶圓數量這兩個要求而決定的。

通過化學氣相沉積法進行SiC外延生長時，通常使用高純度氫氣作為載體，向保持在1500～1600℃高溫的SiC襯底表面供應SiH4等Si原料以及C3H8等C原料。在這種高溫下，如果設備內壁等周圍溫度較低，向襯底表面的原料供應效率會大幅降低，因此采用熱壁型反應器。關于SiC的外延生長設備，有多種方式，包括立式、水平式、多晶片式和單晶片式等。圖2、圖3和圖4展示了各種外延生長設備反應器部分的氣流和襯底配置示例。

圖2：多晶片自轉公轉型（從上方引入氣體）

圖3：多晶片公轉型（從側面引入氣體）

圖4：單晶片高速旋轉型

考慮到SiC外延襯底的量產，需考慮以下幾個要點：外延層厚度的均勻性、摻雜濃度的均勻性、粉塵、產量、部件更換頻率以及維護的便利性。關于摻雜濃度的均勻性，由于它直接影響器件的耐壓分布，因此要求晶圓表面、批次內以及批次間的均勻性。目前，針對8英寸襯底的SiC外延生長設備的研發正在進行中，從降低成本的角度來看，期待能夠實現更適合量產的設備。此外，附著在反應器內的部件和排氣系統上的反應生成物是粉塵源，因此正在開發氣體蝕刻技術，以方便清除這些粉塵。

通過SiC的外延生長，形成可用于制造功率器件的高純度SiC單晶層。此外，外延生長還可以將襯底內存在的基面位錯（BPD）轉換為襯底/漂移層界面處的貫穿刃位錯（TED）（參見圖5）。正如第5講中所述，當雙極電流流過時，BPD會發生堆垛層錯擴展，從而導致導通電阻增加等器件特性的劣化。然而，轉換后的TED不會對器件的電氣特性產生影響。因此，適當的外延生長可以大幅減少由于雙極電流引起的劣化。

圖5：SiC襯底中的BPD和轉換后的TED橫截面示意圖

（a）外延生長前；（b）外延生長后；

通常，在SiC的外延生長中，會在漂移層和襯底之間插入緩沖層。緩沖層通常進行高濃度的n型摻雜，這有助于促進少數載流子的復合。緩沖層還承擔著上述基面位錯（BPD）轉換的作用，并且對成本的影響也很大，是器件制造中的一項重要技術。

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<關于三菱電機>

三菱電機創立于1921年，是全球知名的綜合性企業。截止2024年3月31日的財年，集團營收52579億日元（約合美元348億）。作為一家技術主導型企業，三菱電機擁有多項專利技術，并憑借強大的技術實力和良好的企業信譽在全球的電力設備、通信設備、工業自動化、電子元器件、家電等市場占據重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機從事開發和生產半導體已有68年。其半導體產品更是在變頻家電、軌道牽引、工業與新能源、電動汽車、模擬/數字通訊以及有線/無線通訊等領域得到了廣泛的應用。