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厚纪观察 | 为什么SiC外延片会有小坑缺陷？

厚纪资本厚纪资本
2024/08/30
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外延片


碳化硅（SiC）功率器件的市场需求与挑战，是一个涵盖技术革新、市场趋势、材料科学和工艺优化等多个领域的综合性话题。


近年来，随着新能源汽车、光伏产业、高压输电和智能充电桩等下游产业的迅速崛起，对高性能、高可靠性的SiC功率器件的需求呈现爆发式增长。这些器件以其在高温、高频、高电压条件下的卓越性能，成为了推动绿色能源革命的关键技术之一。


然而，要满足市场对SiC功率器件的高期望，必须解决材料和器件制造过程中的技术挑战，其中，小坑缺陷的控制与优化是关键一环。

1

市场需求的爆发式增长趋势

碳化硅功率器件之所以受到市场的广泛青睐，主要是因为它们能够在极端环境下保持高效稳定的工作状态，这对于新能源汽车、光伏逆变器、高压直流输电等高功率应用而言至关重要。

随着全球对绿色能源和可持续发展的重视程度不断提升，以及技术成本的持续下降，SiC功率器件的需求预计将在未来几年内持续增长。据市场研究机构预测，到2025年，全球SiC功率器件市场规模将达到数十亿美元，年复合增长率超过20%。

2

小坑缺陷的影响及形成机理

小坑缺陷，作为SiC外延材料中的一种重要缺陷，对器件性能的影响不容忽视。这些缺陷的存在会导致器件的漏电流增大，栅氧可靠性降低，进而影响SiC MOSFET的稳定性和寿命。

深入研究发现，小坑缺陷的起源可以追溯到衬底内部的晶体缺陷，而非表面微观缺陷。在外延生长过程中，衬底内部的贯穿螺型位错（TSD）会延伸到外延层表面，形成小坑缺陷，这一过程通过原子力显微镜（AFM）等高精度测试设备得以验证。

3

外延工艺参数对小坑缺陷密度的影响

外延工艺参数，尤其是碳硅比（C/Si）和生长温度，对小坑缺陷密度的控制起着决定性作用。

研究显示，当C/Si比低于0.9时，小坑缺陷密度显著降低，这表明碳硅比的精确调控对提高材料质量至关重要。同时，生长温度的控制同样关键。在C/Si比为0.9的条件下，生长温度从1570℃升高到1640℃，小坑缺陷密度急剧上升，这表明过高的生长温度会加剧TSD的延伸，导致更多小坑缺陷的形成。

因此，通过优化C/Si比和控制生长温度，可以有效降低小坑缺陷的密度，提高SiC外延层的质量。

4

高质量4H-SiC外延材料的实现

要实现低小坑缺陷密度、高一致性的4H-SiC外延材料，必须在工艺参数的优化上下足功夫。

通过将C/Si比固定在0.9，生长温度设定在1590℃，研究人员成功地生长出了小坑缺陷密度低于25 cm⁻²、致命缺陷密度小于0.4 cm⁻²的高质量SiC外延片。

此外，外延层厚度和掺杂浓度的不均匀性分别被控制在0.56%和1.81%，表面粗糙度仅为0.135 nm，这些指标均达到了行业领先水平，为高性能SiC功率器件的制造奠定了坚实基础。
通过上述分析，我们不难发现，通过精确控制外延工艺参数，尤其是C/Si比和生长温度，是实现低小坑缺陷密度、高质量SiC外延材料的关键策略。这不仅能够满足当前高性能SiC功率器件的市场需求，也为未来SiC外延技术的进一步发展指明了方向。

未来的研究将更加深入地探索小坑缺陷的形成机理，优化工艺流程，提高材料的表面质量和电学性能，以支持更广泛的高功率应用。

同时，随着SiC功率器件在新能源汽车、光伏逆变器、高压直流输电等领域的广泛应用，其市场前景将更加广阔，为绿色能源革命和可持续发展贡献力量。

随着技术的不断进步和市场需求的持续增长，SiC功率器件有望成为推动全球能源转型的重要力量，引领电力电子行业进入一个全新的时代。

以上内容转自公众号平台@先进半导体材料

厚纪资本成立于2015年7月，专注于硬科技及大健康领域的成长期和成熟期投资。我们持续奉行「以退定投」的投资策略，优先保障投资本金的安全性，在此基础上进一步为LP实现增值收益，以出色的投资及退出成绩回报LP是我们的首要目标。
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厚纪资本成立于2015年7月，专注于硬科技及大健康领域的成长期投资。我们持续奉行「以退定投」的投资策略，优先保障投资本金的安全性，在此基础上进一步为LP实现增值收益，以出色的投资及退出成绩回报LP是我们的首要目标。
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