【中瑞论坛专题】南京大学微制造与集成工艺中心李哲洋：碳化硅外延技术研究及发展现状

来源：企业创新最前沿

2019年11月，由中国科学技术协会、深圳市人民政府主办，中国科协企业创新服务中心、广东省科学技术协会、深圳市科学技术协会、南山区人民政府承办的2019中瑞产学研发展论坛在深圳成功举办。

为落实中国与瑞典皇家工程科学院的合作协议，探索中瑞产学研创新合作，促进国内第三代半导体产业的快速发展，论坛以“聚力创新，合作共赢”为主题，举办了“第三代半导体产业高峰论坛”分论坛。南京大学微制造与集成工艺中心主任李哲洋带来了主题为“碳化硅外延技术研究及发展现状”的精彩演讲。

碳化硅研究背景

随着经济的发展，人们的生活水平得到了很大的提高，同时高污染、高能耗，全球温度变冷这个问题也日益严重。在这种情况下怎么样提高电力的利用效率就是一个很重要的课题。据统计，有50%以上的电流损耗都发生在电力转换和驱动过程当中，起到核心作用的就是电力电子器件，如何控制能耗已经成为了全球性的课题。

在这种情况下碳化硅受到了大家的重视，热导率是硅的3倍，击穿场强约为硅的10倍，体现到芯片上面的时候就变成了可以在更高的温度下工作，损耗也要同时降低，我们就可以用更好的冷却系统完成工作。同时，像高开关频率可以带来芯片的开关损耗，可以使用更高的开关频率，周边的元器件可以使用更少的滤波器和无源器件。

消费电子包括未来笔记本和充电器，包括白色家电，家里的空调里面有很多都是碳化硅，可以说在关系到国计民生的领域都有碳化硅的存在。举个简单的例子，比方说太阳能，现在用的主要是多晶硅，这个时候要提高0.1个百分点非常困难。太阳能转换了以后是直流的，我们要变成交流的，原来用多晶硅的时候想提高0.1不容易，比方说航母配件里面，变压器的重要性由6吨降到1.7吨，体积从10立方米降到2.7立方米，包括潜艇等用碳化硅可以节省很大的空间。

全球各地政府对碳化硅都非常重视，比如说你要推进氮化镓下一代半导体的研发也离不开我们的外延，包括美国、欧盟、日本等国家也制定了相关半导体产业政策。

外延技术的研究

碳化硅的流程是用高频的碳粉合成碳化硅粉，最后变成晶片。变成晶片以后要其做器件之前有一个很重要的环节，即需要外延一层或者多层，不同厚度的，做成芯片以后切片分装，外延在整个过程中是必不可少的，都需要外延技术来实现，高质量的外延也是实现器件的基础。

外延快速发展也推动了碳化硅的应用进程。李哲洋谈到，早期他主要是做军用方面的事情，现在目标转移到电力电子器件方面，因为这个方面有更大的市场。

碳化硅外延生长中的台阶控制原理。在1987年、1988年的时候有两个研究团队先后提出了有偏角的碳化硅怎么做外延，怎么长出来一个完好的碳化硅表面外延片，做出了很好的贡献，这个技术一直沿用到今天。

李哲洋谈到，碳化硅外延有两个主题是不变的，一个是整个控制缺陷，还有一个是怎么提高均匀性。早期的碳化硅缺陷来源于衬底，有很多缺陷，包括微管、各种各样的位错以及包裹物。这些缺陷在外延的生长过程中有的会延伸到外延层里面，给做芯片带来了很多不良的后果，如击穿电压会大幅降低，导致失效。

日本的研究团队对衬底等缺陷做了一些研究，总的位错密度是不改变的，把高危害的缺陷转换，外延能够通过工艺调控促进高危缺陷向低危缺陷转换。在生长过程中，如果有一个颗粒掉到了表面上，长出来就形成了一个漏洞，这个是在清洗过程中清洗掉的。还有三角形的缺陷，而所有的三角形缺陷都会导致芯片电压降低到50V以下，这个芯片等于是废掉了。

对于均匀性方面的研究，早期发展一直有一个规律，从3寸到4寸，现在到6寸，尺寸变大了就会更加困难。科学家在外延过程中就发现了，生长的原理是线性的，引进旋转的时候会是一个很平缓的、很均匀的外延层的厚度，但是跟生长耗尽是不一样的，这样子带来的外延片呈N形，碗状一样的，这个时候就要求怎么办呢？在外延两端引入碳源，去提高碳比，当碳多了以后，进入的概率就会减小。

通过对碳工艺的研究，发现碳微比对掺杂浓度不均匀影响比生长温度要大，大于主氢流量。工艺参数对片内厚度不均匀性影响的主次顺序为主氢流量大于生长温度。优化主氢流量可以有效改善厚度的均匀性。

国内外整个外延产业发展的现状

1988年左右控制原理的发展，使碳化硅的外延片成为了现实。在不同的年限，厚度达到了一些指标性的参数。在整个外延发展过程中，设备发展也是非常重要的，最早用的设备现在也有人在用，但是已经达不到产业的要求了。

国际权威咨询机构预测，2027年碳化硅市场容量要达到120亿美元。未来对于衬底技术发展的趋势，不管有几种，都有更大的尺寸要求，8英寸的产品什么时候商业化？这个在上个月下旬已经给出了答案，已经完成了首批8英寸的碳化硅的制备。另外就是要求更低的缺陷密度跟更高的生产良率。对于外延来说，一是大尺寸厚层外延，包括未来对于电网应用，上万伏的外延；二是多层结构外延研究，尺寸变大后浓度、厚度、均匀性怎么去控制，外延缺陷怎么去控制，这是不变的主题。

目前碳化硅模块时代正在到来，有很多应用想用碳化硅，但是可能没有模块的设计能力，就需要有人专门做模块的设计，包括内部的一些电路的设计。驱动整个碳化硅应用市场的增长，包括轨道交通、电机驱动、电动汽车和各个转换器，很多厂家都进行了布局。

业内人士都比较看好碳化硅市场，资本也在不断地涌动，强者恒强，国际巨头的布局非常严密，很多公司是“衬底—外延—芯片—模块”一条龙在做。亚洲的资本也不敢落后，如日本罗姆，2009年收购SiCrystal形成从衬底到模块的SIC全产业链；日本昭和电工先后在2016年6月、2018年4月、2018年9月和2019年2月宣布扩展外延产能；韩国SK Siltron在2019年11月以4.5亿美元收购了美国杜邦的碳化硅晶圆事业部。目前电动汽车跟轨道交通正在接力，必将迎来更大的应用市场。

（根据2019“中瑞产学研发展论坛”速记材料整理）