在新能源汽車、智能電網(wǎng)、新型儲能等領(lǐng)域飛速發(fā)展的今天，電力系統(tǒng)對高功率密度、低損耗、高可靠的電能轉(zhuǎn)換與傳輸需求日益迫切。特高壓（≥20kV）SiC 功率器件憑借其優(yōu)異的性能，成為替代傳統(tǒng) Si 基 IGBT 的核心方案。然而，高質(zhì)量、低缺陷密度的 SiC 厚外延膜制備一直是制約其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸。
近日，深圳平湖實驗室的研究團(tuán)隊在《人工晶體學(xué)報》網(wǎng)絡(luò)首發(fā)的研究成果，成功攻克了這一技術(shù)難題，為特高壓大電流功率器件的發(fā)展注入了強(qiáng)勁動力。
01 技術(shù)挑戰(zhàn)：特高壓 SiC 厚膜外延的三大核心難題
與常規(guī) 1-3kV 電壓等級的 SiC 器件不同，特高壓大電流 SiC 功率器件對外延膜提出了極為嚴(yán)苛的要求：外延厚度需不小于 180μm，摻雜濃度低至 1×10¹? cm?³ 量級，同時還要保證高均勻性、低缺陷密度和長少子壽命。
這帶來了三大核心技術(shù)挑戰(zhàn)：
缺陷控制困難：高溫 CVD 生長過程中，隨著外延厚度增加，反應(yīng)腔室內(nèi)沉積物累積導(dǎo)致三角形缺陷、掉落物等缺陷數(shù)量大幅增加，部分缺陷還會橫向擴(kuò)展，嚴(yán)重影響外延片可用面積；
少子壽命偏低：雙極型器件（如 IGBT）對少子壽命要求不低于 5μs，但現(xiàn)有商用 SiC 外延片的少子壽命通常僅 1-2μs，難以滿足需求；
均勻性調(diào)控難度大：8 英寸大尺寸外延片在極輕摻雜濃度下，厚度和摻雜濃度的均勻性控制成為技術(shù)難點，現(xiàn)有水平難以達(dá)到特高壓器件的應(yīng)用要求。
02 創(chuàng)新方案：精準(zhǔn)調(diào)控實現(xiàn)高質(zhì)量外延生長
為解決上述難題，研究團(tuán)隊基于垂直進(jìn)氣熱壁式高溫 CVD 設(shè)備，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化與工藝創(chuàng)新，構(gòu)建了一套高效的 SiC 厚膜同質(zhì)外延技術(shù)方案：
1.設(shè)備與工藝優(yōu)化
采用頂部向下垂直供氣、底部抽氣的反應(yīng)室結(jié)構(gòu)，優(yōu)化噴淋頭設(shè)計，確保反應(yīng)氣體在襯底表面均勻分布；
設(shè)計三區(qū)獨(dú)立控溫加熱器，針對 8 英寸襯底優(yōu)化溫場，在 1600℃外延溫度下實現(xiàn)良好的溫度均勻性；
以三氯氫硅（TCS）和乙烯（C?H?）為反應(yīng)前驅(qū)體，精確調(diào)控 C/Si 比在 0.95-1.10 范圍，采用氮?dú)夂腿谆X（TMAl）分別作為 n 型和 p 型摻雜源，實現(xiàn)摻雜濃度的精準(zhǔn)控制；
生長前通過 1600℃、150slm H?的表面原位刻蝕，保證外延層沿臺階流生長，生長速率穩(wěn)定在 50μm/h。
2. 缺陷抑制關(guān)鍵技術(shù)
針對 p 型外延層三角形缺陷，通過降低生長速率、優(yōu)化 TMAl 流量，將三角形缺陷密度從 2.23cm?² 降至 0.5cm?²；
外延生長前通入 300sccm HCl 和 150slm H?進(jìn)行原位清潔，生長過程中通入 500sccm HCl 輔助刻蝕，減少掉落物缺陷；
采用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）處理，有效降低外延層表面非致命缺陷的橫向尺寸和數(shù)量，改善表面平整度。
03 成果斐然：多項性能指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平
通過上述技術(shù)方案，研究團(tuán)隊成功制備出厚度達(dá) 200μm 的高質(zhì)量 8 英寸 4H-SiC 同質(zhì)外延厚膜，各項性能指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異：
1.均勻性表現(xiàn)突出
外延層總厚度均值達(dá) 199.6μm，厚度不均勻性僅 0.95%，其中 p 型外延層厚度不均勻性為 2.2%；
摻雜濃度控制在 1.9×10¹? cm?³，不均勻性僅 3.92%，8 個批次樣品的總體摻雜濃度不均勻性僅 6.7%，重復(fù)性與穩(wěn)定性優(yōu)異；傅里葉紅外光譜與 SEM 測試結(jié)果高度吻合，驗證了厚度均勻性的可靠性（如圖 2 所示）。
2. 缺陷密度顯著降低，可用面積大幅提升
IGBT 結(jié)構(gòu)外延片在 10mm×10mm 芯片尺度下，可用面積從優(yōu)化前的低水平提升至 46.5%；
二極管 / MOSFET 結(jié)構(gòu)外延片可用面積高達(dá) 96.9%，展現(xiàn)出優(yōu)異的缺陷控制能力（如圖 5 所示）；
表面缺陷主要為三角形缺陷及其衍生的基平面位錯（BPD），通過針對性優(yōu)化已實現(xiàn)有效抑制（如圖 6 所示）。
3. 少子壽命與表面形貌滿足器件需求
IGBT 結(jié)構(gòu)外延片平均少子壽命達(dá) 5.65μs，二極管 / MOSFET 結(jié)構(gòu)達(dá) 5.24μs，均超過 5μs 的應(yīng)用要求，少子壽命分布與缺陷分布高度相關(guān)（如圖 7 所示）；
AFM 測試顯示，外延層表面無宏觀臺階或臺階聚集現(xiàn)象，IGBT 結(jié)構(gòu)中心與邊緣的均方根粗糙度分別為 0.12nm 和 0.3nm，二極管 / MOSFET 結(jié)構(gòu)分別為 0.12nm 和 0.25nm，表面形貌優(yōu)良（如圖 8 所示）。
04 應(yīng)用前景：助力特高壓器件產(chǎn)業(yè)化加速
該研究提出的高均勻性、低缺陷密度、高少子壽命 SiC 同質(zhì)外延厚膜制備方案，不僅突破了特高壓大電流功率器件的核心材料瓶頸，更為 SiC IGBT 等關(guān)鍵器件的制備提供了可靠的技術(shù)支撐。其在新型儲能、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，將有效推動電力系統(tǒng)的能效提升與技術(shù)升級。未來，研究團(tuán)隊將進(jìn)一步通過設(shè)備腔室與石墨件優(yōu)化控制掉落物、優(yōu)化外延工藝提升均勻性、增加高溫氧化與退火工藝提升少子壽命等方式，持續(xù)完善 SiC 厚膜外延技術(shù)，為我國在寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域的自主可控發(fā)展貢獻(xiàn)力量。這項技術(shù)突破不僅彰顯了我國在 SiC 外延領(lǐng)域的科研實力，更將為全球能源轉(zhuǎn)型與電力電子產(chǎn)業(yè)升級帶來新的機(jī)遇！
文章鏈接：DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0197.
