碳化硅衬底和外延片的区别：定义、制备工艺及功能全面剖析

1. 碳化硅衬底的定义及特性

1.1 碳化硅衬底的基本概念

碳化硅衬底是一种通过物理气相传输法（PVT）生长出来的SiC单晶材料，作为外延片生长和后续器件制作的基础。其主要功能是提供机械支撑和电学性能，同时为外延片提供生长所需的晶体结构。

1.2 衬底的关键特性

碳化硅衬底的性能由以下几个方面决定：

• 材料属性：
  衬底的质量通常由晶体缺陷密度决定，包括位错密度（Threading Dislocation Density, TDD）、微管密度（Micropipe Density, MPD）和其他结构缺陷。缺陷密度的降低直接影响器件性能的稳定性和可靠性。

• 导电类型：
  根据掺杂不同，衬底可分为N型、P型和半绝缘型。其中N型衬底多用于功率器件，半绝缘型则适用于射频和微波器件。

• 物理规格：
  衬底的尺寸（直径和厚度）和表面平整度是其关键指标。目前，6英寸SiC衬底已实现商业化，8英寸技术正在推进，而表面平整度则直接影响外延生长的均匀性和质量。

1.3 衬底的主要制备工艺

碳化硅衬底的生产以PVT法为主，该工艺通过升华和再沉积实现单晶SiC的生长：

• PVT法的原理：
  将SiC粉末在高温下升华为气相成分，随后在低温区沉积为单晶。

• 技术难点：
  主要集中在晶体缺陷的控制，包括减少位错密度和微管密度，以及防止晶界形成。

1.4 衬底的核心作用

碳化硅衬底在器件制造中起到基础性作用：

• 机械支撑：为外延片和后续器件加工提供物理稳定性。

• 热稳定性：提供优异的热导性能以支撑高功率器件运行。

• 电性能基础：确保器件运行所需的导电性和低电阻。

2. 碳化硅外延片的定义及特性

2.1 外延片的基本概念

碳化硅外延片是通过化学气相沉积法（CVD）在衬底表面生长的一层SiC单晶薄膜，其掺杂类型、掺杂浓度及厚度可根据器件设计需求进行精确控制，是器件功能区的核心组成部分。

2.2 外延片的关键特性

外延片的性能由以下特性决定：

• 掺杂特性：
  外延片通过精确控制掺杂浓度（n型或p型）实现所需的电学性能，浓度均匀性是关键指标。

• 厚度控制：
  根据器件设计需求，外延层厚度可从几微米到数十微米不等，如高压器件需要更厚的外延层以支持更高的击穿电压。

• 表面质量：
  外延层的表面平整度直接影响器件的制造精度，纳米级表面粗糙度和低缺陷密度是外延片的关键要求。

2.3 外延片的主要制备工艺

外延片的生产主要通过CVD技术实现：

• CVD工艺原理：
  在高温下将碳源和硅源气体反应，沉积在衬底表面形成外延层。

• 工艺参数的影响：
  温度、气体流量、气氛等因素直接影响外延层的厚度、掺杂均匀性和表面质量。

2.4 外延片的核心作用

外延片在SiC器件中起到决定性作用：

• 作为有源区：提供所需的电学性能，如电流通道或PN结的形成。

• 决定器件性能：如击穿电压、导通电阻等关键参数。

3. 碳化硅衬底和外延片的核心区别

3.1 定义上的区别

• 衬底是通过PVT法生长出的SiC单晶，用于支撑外延层。

• 外延片是通过CVD法在衬底表面沉积的一层功能性薄膜。

3.2 制备工艺的区别

• 衬底：采用PVT法，聚焦于单晶生长。

• 外延片：采用CVD法，注重薄膜均匀性和掺杂控制。

3.3 功能上的区别

• 衬底：提供机械支撑和热稳定性。

• 外延片：提供精确的电学性能和物理功能。

3.4 质量指标的不同

• 衬底：关注晶体缺陷密度（位错、微管）及导电类型。

• 外延片：关注厚度均匀性、掺杂浓度和表面平整度。

3.5 应用层面的区别

• 衬底：主要用于外延生长的支撑层。

• 外延片：直接影响器件的电气性能，如导通电阻和击穿电压。

4. 碳化硅衬底和外延片的相互关系

4.1 衬底质量对外延片的影响

• 缺陷传递：衬底的缺陷会传递至外延层，影响外延片的电学性能。

• 导热性能：衬底提供热稳定性，支持外延生长过程。

4.2 外延生长对衬底的要求

• 衬底表面平整度和缺陷密度直接影响外延片的质量和均匀性。

4.3 两者在SiC产业链中的联动

• 衬底技术的突破（如大尺寸化）推动外延片质量和成本的优化。

• 高性能外延片对衬底的规格提出更高要求。