解密碳化硅外延生长：高性能器件的核心工艺与外延技术全景解析

引言

碳化硅（SiC）外延生长是高性能电子器件制造的核心工艺环节，尤其在 SiC 外延片（SiC epi wafers）的生产中具有不可替代的重要性。凭借其优异的电学、热学及化学特性，SiC 被广泛应用于功率器件、光电器件以及高温传感器等领域。本文系统阐述了 SiC 外延生长的重要意义，分析影响外延层质量的关键因素，并对同质外延与异质外延技术进行深入比较。

一、SiC 外延生长的重要性

SiC 外延生长不仅为高性能器件提供关键的晶体基础，还支持在衬底上构建复杂的多层结构或异质结构，从而显著提升器件的性能指标。通过精确调控外延层的厚度、掺杂浓度及晶体完整性，制造商能够满足不同类型器件（如 MOSFET、肖特基二极管、光电探测器等）的特定需求。

二、影响 SiC 外延层质量的关键因素

衬底质量
衬底的晶体结构完整性、表面平整度及晶格匹配程度直接决定外延层的缺陷密度与结构稳定性。

生长温度与压力
生长环境参数对外延层的生长速率、表面形貌及晶体缺陷密度起决定作用。精准优化温度与压力是获得高质量外延片的关键。

外延生长方法
不同工艺（如化学气相沉积 CVD、物理气相沉积 PVD、分子束外延 MBE）在晶体质量、厚度控制及工业适用性上各有优势。

气相组成与流量控制
反应气体的成分及流量决定外延层的成分均匀性、杂质含量及晶格缺陷水平。

衬底预处理
清洗、表面改性及其他预处理工艺可有效去除污染，提高外延生长界面的洁净度与结合强度。

生长时间与生长速率
生长时间与速率影响晶体缺陷及厚度均匀性。过快的沉积速率或过长的沉积时间都可能导致外延层晶格畸变。

反应腔气流特性
气流分布不均会导致外延层厚度及掺杂分布不均，进而影响晶体整体质量。

三、同质外延与异质外延的区别

同质外延（Homogeneous Epitaxy）

指在与衬底晶体结构及成分相同的材料上进行外延生长。

常用于在 SiC 外延片上构建多层结构，以实现所需的电学、光学或机械性能。

异质外延（Heterogeneous Epitaxy）

指在晶体结构和/或成分不同的衬底上进行外延生长。

常见于在 SiC 衬底上生长氮化镓（GaN）或氮化铝镓（AlGaN）等异质层。

该方法有助于实现多种材料集成，满足高性能电子与光电子器件对异质结构的需求。

结论

SiC 外延生长是制造高性能电子器件不可或缺的关键工艺环节。衬底质量、生长条件及外延工艺选择对外延层质量具有决定性影响。同质外延与异质外延分别适用于不同的应用场景，前者强调材料一致性与多层结构控制，后者则通过材料集成实现器件性能突破。随着对高效率、高可靠性 SiC 器件的需求不断增长，外延生长技术将在功率电子与光电子产业中发挥愈加重要的战略作用。