01.碳化硅外延

外延工艺是整个产业中的一种非常关键的工艺，由于现在所有的器件基本上都是在外延上实现，所以外延的质量对器件的性能是影响是非常大的，但是外延的质量它又受到晶体和衬底。加工的影响，处在一个产业的中间环节，对产业的发展起到非常关键的作用。

碳化硅功率器件与传统硅功率器件制作工艺不同，不能直接制作在碳化硅单晶材料上，必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件。

碳化硅一般采用PVT方法，温度高达2000多度，且加工周期比较长，产出比较低，因而碳化硅衬底的成本是非常高的。

碳化硅外延过程和硅基本上差不多，在温度设计以及设备的结构设计不太一样。

在器件制备方面，由于材料的特殊性，器件过程的加工和硅不同的是，采用了高温的工艺，包括高温离子注入、高温氧化以及高温退火工艺。

02.SiC外延片是SiC产业链条核心的中间环节

目前碳化硅和氮化镓这两种芯片，如果想最大程度利用其材料本身的特性，较为理想的方案便是在碳化硅单晶衬底上生长外延层。

碳化硅外延片，是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶相同的单晶薄膜（外延层）的碳化硅片。实际应用中，宽禁带半导体器件几乎都做在外延层上，碳化硅晶片本身只作为衬底，包括GaN外延层的衬底。

我国SiC外延材料研发工作开发于“九五计划”，材料生长技术及器件研究均取得较大进展。主要研究单位有中科院半导体研究所、中电集团13所和55所、西安电子科技大学等，产业化公司主要是东莞天域和厦门瀚天天成。目前我国已研制成功6英寸SiC外延晶片，且基本实现商业化。可以满足3.3kV及以下电压等级SiC电力电子器件的研制。不过，还不能满足研制10kV及以上电压等级器件和研制双极型器件的需求。

碳化硅材料的特性从三个维度展开：

1.材料的性能，即物理性能：禁带宽度大、饱和电子飘移速度高、存在高速二维电子气、击穿场强高。这些材料特性将会影响到后面器件的性能。

2. 器件性能：耐高温、开关速度快、导通电阻低、耐高压。优于普通硅材料的特性。反映在电子电气系统和器件产品中。

3. 系统性能：体积小、重量轻、高能效、驱动力强。

    碳化硅的耐高压能力是硅的10 倍，耐高温能力是硅的2 倍，高频能力是硅的2 倍；相同电气参数产品，采用碳化硅材料可缩小体积50%，降低能量损耗80%。

    这也是为什么半导体巨头在碳化硅的研发上不断加码的原因：希望把器件体积做得越来越小、能量密度越来越大。

    硅材料随着电压的升高，高频性能和能量密度不断在下降，和碳化硅、氮化镓相比优势越来越小。

    碳化硅主要运用在高压环境，氮化镓主要集中在中低压的领域。造成两者重点发展的方向有重叠、但各有各的路线。通常以650V 作为一个界限：650V以上通常是碳化硅材料的应用，650V 以下比如一些消费类电子上氮化镓的优势更加明显。

SiC外延片关键参数

    碳化硅外延材料的最基本的参数，也是最关键的参数，就右下角黄色的这一块，它的厚度和掺杂浓度均匀性。

    我们所讲外延的参数其实主要取决于器件的设计，比如说根据器件的电压档级的不同，外延的参数也不同。

    一般低压在600伏，我们需要的外延的厚度可能就是6个μm左右，中压1200~1700，我们需要的厚度就是10~15个μm。高压的话1万伏以上，可能就需要100个μm以上。所以随着电压能力的增加，外延厚度随之增加，高质量外延片的制备也就非常难，尤其在高压领域，尤其重要的就是缺陷的控制，其实也是非常大的一个挑战。

03.碳化硅外延技术进展情况

在低、中压领域，目前外延片核心参数厚度、掺杂浓度可以做到相对较优的水平。但在高压领域，目前外延片需要攻克的难关还很多，主要参数指标包括厚度、掺杂浓度的均匀性、三角缺陷等。

在中、低压应用领域，碳化硅外延的技术相对是比较成熟的。

基本上可以满足低中压的SBD、JBS、MOS等器件的需求。如上是一个1200伏器件应用的10μm的外延片，它的厚度、掺杂浓度了都达到了一个非常优的水平，而且表面缺陷也是非常好的，可以达到0.5平方以下。

在高压领域外延的技术发展相对比较滞后，如上是2万伏的器件上的200μm的一个碳化硅外延材料，它的均匀性、厚度和浓度相对于上述介绍的低压差很多，尤其是掺杂浓度的均匀性。

同时，高压器件需要的厚膜方面，目前的缺陷还是比较多的，尤其是三角形缺陷，缺陷多主要影响大电流的器件制备。大电流需要大的芯片面积。同时它的少子寿命目前也比较低。

04.应用领域

从终端应用层上来看在碳化硅材料在高铁、汽车电子、智能电网、光伏逆变、工业机电、数据中心、白色家电、消费电子、5G通信、次世代显示等领域有着广泛的应用，市场潜力巨大。

在应用上，分为低压、中压和高压领域

在低压领域：主要是针对一些消费电子，比如说PFC、电源；举例子：小米和华为推出来快速充电器，所采用的器件就是氮化镓器件。

在中压领域：主要是汽车电子和3300V以上的轨道交通和电网系统。举例子：特斯拉是使用碳化硅器件最早的一个汽车制造商，使用的型号是model3。

在中低压领域，碳化硅和氮化镓为竞争关系，更倾向于氮化镓。在中低压碳化硅已经有非常成熟的二极管和MOSFET产品在市场当中推广应用。

在高压领域：碳化硅有着独一无二的优势。但迄今为止，在高压领域现在还没有一个成熟的产品的推出，全球都在处于研发的阶段。

电动车是碳化硅的最佳应用场景。