中国粉体网讯  与传统硅功率器件制作工艺不同，SiC功率器件不能直接制作在SiC单晶材料上，必须在导通型SiC单晶衬底上使用外延技术生长出高质量的外延材料，然后在外延层上制造各类器件。之所以不直接在SiC衬底上制造SiC器件，一方面是由于衬底的杂质含量较高，且电学性能不够好；另一方面是掺杂难度大，即使采用离子注入的方式，也需要后续的高温退火，远不如在外延层上的掺杂效果好。因此，制造出外延层的掺杂浓度和厚度符合设计要求的SiC器件至关重要。

SiC外延技术发展

SiC同质外延技术研究需要基于SiC衬底开展，因此研发时间晚于SiC衬底，最早于20世纪60年代开始。研究人员主要采用了液相外延法和CVD法进行SiC同质外延。但由于SiC存在200多种晶体结构，外延生长时存在严重的多型夹杂问题，因此早期获得的外延材料质量都很差，这也制约了SiC 器件的发展。

第一个突破性的里程碑是在1987年，日本的Kuroda等人和美国的Kong等人各自相继提出了台阶流外延生长模型，在6H-SiC衬底上进行完美多型体复制，并给出了最优偏离晶向和偏角。

6H-SiC衬底台阶流外延生长模型

代表SiC晶型的堆垛顺序信息主要在SiC衬底表面台阶的侧向，通过SiC衬底表面偏角度的控制，使得同质外延在衬底表面原子台阶处侧向生长，从而继承衬底的堆垛次序，通过台阶流生长实现晶型的完美复制。

制备高质量的碳化硅外延，要依靠先进的工艺和设备。目前，碳化硅外延技术已与碳化硅外延设备高度融合。

SiC外延技术发展的第二个标志性里程碑是热壁（温壁）CVD反应室设计。传统冷壁CVD反应腔室结构较为简单，但存在一些缺点，如晶片表面法线方向的温度梯度非常大，导致SiC晶片翘曲比较严重；另外冷壁CVD加热效率比较低，热辐射损耗严重。通过热壁CVD反应室，温度梯度得到显著降低，容易实现良好的温度均匀性，这对于产业化生产至关重要。

第三个里程碑是氯基快速外延生长技术。传统SiC的CVD生长技术通常使用硅烷和碳氢化合物作为反应气体，氢气作为载气，气相中Si团簇容易形成Si滴，导致外延生长工艺窗口相对较窄，同时也限制了外延生长的速率。通过引入氯基化学成分（通常有TCS，或者HCl）可以极大地抑制Si团簇，目前已成功应用于SiC快速外延生长中。

从微观结构看SiC晶体生长

SiC单晶的工业制备主要通过气固相变过程，如物理气相传输（PVT）或热化学气相沉积（HTCVD）法。这一过程中，气相原子沉积在晶体表面，会以三种方式生长：

▶岛状生长（Volmer-Weber, VW）：原子更倾向与自己结合，易形成晶岛；

▶层状生长（Frank–van der Merwe, FM）：原子更倾向与衬底结合，形成平整薄层；

▶混合生长（Stranski–Krastanov, SK）：先形成一层薄层，随后转为岛状结构。

其中，岛状生长极易诱发不同晶型（如3C-SiC）杂相的出现，形成可扩展的三角形缺陷。而层状生长则有助于抑制杂相生成，形成高质量的同质外延层。

然而，实现理想的层状生长，需要一个关键前提：在晶体表面引入微观“台阶结构”。这就需要将晶锭端面切割出一个微小偏离理想晶向的角度，即所谓的“倾角”。这个倾斜角度能形成密集的微台阶，有利于原子有序排列，抑制自发成核和杂质相生成，从而提高4H-SiC外延层的结晶质量。

2025年8月21日，中国粉体网将在苏州举办第三代半导体SiC晶体生长及晶圆加工技术研讨会。届时，来自西安交通大学能源与动力工程学院陈雪江副教授将带来《SiC晶体外延生长微观机理研究》的报告。

来源：

郭钰等：碳化硅同质外延质量影响因素的分析与综述

光学量检测：SiC端面倾角与参考边测量技术解析

碳化硅芯观察：【干货】SiC外延工艺介绍及掺杂环节与监测重点

（中国粉体网编辑整理/空青）

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