第三代半导体器件制备关键环节：外延

以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料，由于其宽带隙、高电子饱和漂移速度、高热导率、大击穿场强等优势，是制备高功率密度、高频率、低损耗电子器件的理想材料。其中， SiC功率器件具有能量密度高、损失小、体积小的优势，在新能源汽车、光伏、轨道交通、大数据等领域具有广阔的应用前景；GaN射频器件具有高频、高功率、较宽频带、低功耗、小尺寸的优势，在 5G 通讯、物联网、军用雷达等领域有广泛的应用。而在加工制备中，衬底上制备高质量外延材料是提高器件性能及可靠性，推动第三代半导体在生产生活中应用的关键，本篇将就此做详细介绍。

一、外延的基本概念

（一）定义

外延（epitaxy）生长是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段。新单晶可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料（同质外延或者是异质外延）。由于新生单晶层按衬底晶相延伸生长，从而被称之为外延层（厚度通常为几微米），而长了外延层的衬底称为外延片（外延片=外延层+衬底），器件制作在外延层上为正外延，若器件制作在衬底上则称为反外延，此时外延层只起支撑作用。目前碳化硅和氮化镓这两种芯片，如果想最大程度利用其材料本身的特性，较为理想的方案便是在碳化硅单晶衬底上生长外延层。

外延片作为半导体原材料，位于半导体产业链上游，是半导体制造产业的支撑性行业。外延片制造商在衬底材料上通过CVD（Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积）设备、MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）设备等进行晶体外延生长、制成外延片。外延片再通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等制造环节制成晶圆。晶圆再被进一步切割成为裸芯片，裸芯片经过于基板固定、加装保护外壳、导线连接芯片电路管脚与外部基板等封装环节，以及电路测试、性能测试等测试环节最终制成芯片。

（二）外延的意义

外延生长技术发展于50年代末60年代初，当时为了制造高频大功率器件，需要减小集电极串联电阻，又要求材料能耐高压和大电流，因此需要在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等方面与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵活性和器件的性能。外延技术作用主要体现在：

1.可以在低（高）阻衬底上外延生长高（低）阻外延层。

2.可以在P（N）型衬底上外延生长N（P）型外延层，直接形成PN结，不存在用扩散法在单晶基片上制作PN结时的补偿的问题。

3.与掩膜技术结合，在指定的区域进行选择外延生长，为集成电路和结构特殊的器件的制作创造了条件。

4.可以在外延生长过程中根据需要改变掺杂的种类及浓度，浓度的变化可以是陡变的，也可以是缓变的。

5.可以生长异质、多层、多组分化合物且组分可变的超薄层。

6.可在低于材料熔点温度下进行外延生长，生长速率可控，可以实现原子级尺寸厚度的外延生长。

7.可以生长不能拉制单晶材料，如GaN，三、四元系化合物的单晶层等。

（三）外延的主要制备工艺

对于化合物半导体来说，外延是非常重要而又与众不同的工艺，而对于不同的材料和应用，主要有分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、氢化物气相外延（HVPE）、液相外延（LPE）等。相比之下，MOCVD技术生长速率更快，更适合产业化大规模生产；而MBE技术优点是材料的质量非常好，但是生长的速度比较慢，在部分情况如PHEMT（高电子迁移率晶体管）结构、Sb锑化合物半导体的生产中更适合采用；HVPE（氢化物气相外延）技术在氮化镓和氮化铝材料外延上应用较多，目前大部分HVPE设备是自行搭建的，很少有商业化的设备，优点就是生长速率比较快；LPE（液相沉积）是比较早期的外延方法，主要用于硅晶圆，目前已基本被气相沉积技术所取代。

MBE 与 MOCVD 技术对比

二、GaN的外延

不同于Si和SiC芯片，GaN的外延片通常用的是异质衬底，例如蓝宝石、碳化硅、硅等是氮化镓外延片主流的异质衬底材料。从理论上来讲，GaN同质衬底是生长GaN外延层最好的衬底，这样就不存在品格失配和热失配问题，生长出来的外延膜质量将大大提高，位错密度也可降到很低，同时发光效率、器件工作电流密度均会提高。但由于GaN在常压下无法熔化,高温下分解为Ga和N2,在其熔点(2300℃)时的分解压高达6GPa，当前的生长装备很难在GaN熔点时承受如此高的压力,因此传统熔体法无法用于GaN单晶的生长。

各类衬底材料比较

（一）GaN on SiC的制备

宽带隙的碳化硅与GaN晶格失配较小、导电、热导率高，在目前半导体照明芯片上占有优势，将在一定时间范围内领先其他技术方案。SiC衬底的缺点是价格昂贵、折射率较大、缺陷密度高、热失配也较大，由于SiC表面容易形成一种稳定的氧化物，阻止其分解和刻蚀，因此SiC衬底在外延生长前的表面处理非常重要。目前主流SiC衬底尺寸是4-6英寸，8英寸衬底仅有少数公司掌握制造技术，半导电型SiC衬底以n型衬底为主，主要用于外延GaN基LED等光电子器件、SiC基电力电子器件等，半绝缘型SiC衬底主要用于外延制造GaN高功率射频器件。在金属有机化学气相沉积的过程中，包含了复杂的一连串过程：

首先，前驱物借由高精准度的注入喷头（Injector）精确地控制进入汽化反应（Vaporizer）及制程反应腔体（Reactor）反应物的量，并且借由反应气体与其进行化学反应。这些反应后的金属有机化合物，会在基板的表面进行吸附（Adsorption）、表面反应（Surface kinetics）、薄膜成长（Growth），形成一层薄膜。最后，这些未参与反应的反应物，则会进行脱附（Desorption）、真空排气（Evacuation）等过程，使制程反应腔体能保持真空且纯净的环境。采用SiC为衬底的GaN外延生长方法示例：

1.MOCVD生长依次将氮化钛层、氮化铝层和氮化镓层沉积在SiC衬底上，气氛是以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基钛(TDEAT)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、Ti和N源，以氢气(H2)为载气。首先，将SiC衬底置于1200度反应室进行前烘300s，降温至500度，通入氨气8000sccm对衬底进行氮化；

2.然后通入TDEAT三甲基钛气体，流量控制在40sccm，并继续通入氨气8000sccm，时长80s，进行氮化钛沉积，250s进行复原；

3.然后通入TMAl三甲基铝气体50sccm，10000sccm氨气，时长100s，进行氮化铝沉积；

4.最后通入TMGa三甲基镓气体。80sccm，15000sccm氨气，时长150s，进行氮化镓沉积，对反应室气氛复原，完成缓冲层生长。

各家GaN外延生长方法knowhow不一样，属于机密配方。

（二）技术难点

GaN on SiC是目前氮化镓外延的主流技术，主要技术难点如下：

1.衬底表面氧化层、亚表面损伤层、缺陷等影响 GaN 外延层的质量；

2.GaN 在SiC 衬底表面难以成核，由于 Ga 原子在 SiC 衬底表面浸润性差，直接在 SiC 衬底表面生长 GaN 生长速度慢、材料质量差；

3.衬底表面原子排布诱导 GaN 外延层中形成堆垛层错（BSFs），对于 SiC 衬底上外延 GaN，衬底上有多种可能的原子排列次序，导致其上外延 GaN 层初始原子堆垛次序不统一，容易产生堆垛层错。堆垛层错（SFs）沿着 c 轴引入内建电场，导致面内载流子分离以及器件漏电等问题出现；

4.晶格失配与热失配问题。SiC 衬底与 GaN 晶格常数与热膨胀系数不同，使 GaN 层受到压应力，热膨胀系数差异导致生长完成后的降温过程中 GaN 薄膜受到张应力。应力与 GaN 带隙呈线性关系，每 1Gpa 双轴应力带来的带边峰的线性移动为 20±3meV。此外，应力的存在导致 GaN 外延层中产生了高密度的缺陷。

（三）解决方案

1.SiC 衬底表面处理

SiC 衬底表面处理是 SiC 衬底外延 GaN 面临的重要问题之一。早期由于 SiC 衬底切磨抛工艺过程带来的划痕、亚损伤层、污染物残留等问题较多，随着 SiC 晶圆切磨抛工艺以及衬底封装工艺的进步， 衬底表面质量得到改善。目前 SiC 衬底表面采取机械化学抛光的处理方式已做到基本无划痕， 氮气氛围的封装工艺也可避免 SiC 表面与氧气的长时间接触， 因此多数外延不再采用额外的化学腐蚀，而是直接采用原位高温 H2 或 H2/NH3混合气体高温热处理的方式进行衬底处理。

2.外延生长调控

直接在 SiC 衬底表面外延生长 GaN，由于两者间原子浸润性差，GaN 在衬底表面为 3D 岛状生长，外延层受到的应力全部释放，只保留了降温过程中产生的张应力。引入 AlN 缓冲层可有效改善原子浸润性，使 GaN 外延层呈二维生长，缓冲压应力的释放， GaN 外延层仍然保持压应力状态，从而提升 GaN 外延层结晶质量。

(a)GaN/SiC (b)GaN/AIN/SiC外延生长模式

三、SiC 的外延

（一）SiC on SiC的制备

为制作功率器件，需要在碳化硅衬底上生长1层或几层碳化硅薄膜，目前主流的方法是采用CVD法进行同质外延生长，其优点在于对外延层厚度及杂质掺杂的精确控制和均匀性，但有严重的多型体混合问题。早期碳化硅是在无偏角衬底上外延生长的，然而受多型体混合影响，实际外延效果并不理想，难以进而制备器件。之后发展了利用台阶流生长方法在不同偏角下斜切碳化硅衬底，使外延表面形成高密度的纳米级外延台阶，可在1500℃左右的温度下制备均一相的外延层。

台阶控制外延法的优点在于不仅能够实现低温生长，而且能够稳定晶型的控制，其生长温度可以降至1200℃甚至更低而不产生3C-SiC夹杂相，但随着温度降低，表面缺陷密度和背景氮掺杂浓度会显著增加，生长速率也会受到较大影响，因此选择合适的温度和衬底偏角是实现SiC外延快速高质量制备的关键。另这种方法的缺陷在于无法阻断基平面位错和对衬底材料造成浪费。经过几十年的不断发展完善，台阶控制外延法己经比较成熟，成为了碳化硅外延的主要技术方案。

为了突破台阶控制外延法的限制，TCS（三氯氢硅）法应运而生，可以同时实现生长速率大幅提升和质量的有效控制，非常有利于SiC厚膜外延生长。TCS技术率先由LPE在2014年实现商业化，2017年左右Aixtron对设备进行了升级改造，并将该技术移植到了商业的设备中。

（二）重要指标和参数

1.高质量厚膜外延

SiC功率器件中，在外延的 SiC 漂移层中平衡外延层厚度及掺杂浓度是获得高耐压器件的关键。一般低压在600伏，需要的外延厚度大概在6个μm左右，中压1200~1700，厚度就是10~15个μm。高压1万伏以上，大概需要100个μm以上。所以随着电压能力的增加，外延厚度随之增加，高质量外延片的制备也就非常难。

SiC 双极器件中击穿电压对漂移区掺杂浓度和厚度要求

2.掺杂浓度控制

控制外延层的掺杂浓度对 SiC 功率器件的性能至关重要。外延层掺杂浓度与掺杂源流量、C/Si 比、温度、反应室压强、生长速度等生长参数有关。除掺杂浓度以外，外延层的掺杂均匀性是研究者们的另一关注重点，下图（a）展示了衬底转速对径向 n 型掺杂浓度均匀性的影响。可以看出，从衬底中心到边缘，掺杂浓度逐渐增加。提高衬底转速可有效提升载流子浓度分布的均匀性；（b）展示了生长速度对径向掺杂浓度均匀性影响，随着生长速度的升高，径向掺杂浓度均匀性降低。合理的控制外延生长速度有利于掺杂浓度与均匀性的调控，然而 SiC 厚膜外延需要高的生长速度，因而在外延生长过程中，需要基于外延目的调控外延生长参数，最终获得符合要求的外延材料。

（a）衬底转速；（b）生长速度45（三角形）、54（空心圆）、77（实心圆）um/h对径向掺杂浓度均匀性的影响

3.缺陷调控

有效调控 SiC 外延层中的缺陷是确保 SiC 功率器件性能与可靠性的关键。SiC 外延层中的缺陷主要分为层错、位错、表面缺陷及点缺陷。致命性缺陷像三角形缺陷、滴落物，对所有器件类型都有影响，包括二极管、MOSFET、双极性器件，影响最大的就是击穿电压，它可以使击穿电压减少20%，甚至跌到90%； 非致命性缺陷如一些TSD和TED，对二极管可能没有影响，但对MOS、双极器件有寿命的影响，或者漏电的影响，最终影响器件的加工合格率。所以在碳化硅外延中缺陷的控制非常关键。

SiC中的（a）三角形缺陷（b）胡萝卜缺陷（c）彗星型缺陷

四、主要外延厂家

（一）GaN外延厂家

GaN外延片相关企业主要有比利时的EpiGaN、英国的IQE、日本的NTT-AT。中国厂商有苏州晶湛、苏州能华、英诺赛科、聚能晶源和世纪金光等企业，其中苏州晶湛2014年就已研发出8英寸硅基外延片，现阶段已能批量生产；苏州能华2017年建成8英寸氮化镓芯片生产线并正式启用；英诺赛科的8英寸硅基氮化镓生产线2017年投产，成为国内首条实现量产的8英寸硅基氮化镓生产线；聚能晶源2018年12月成功研制了 8 英寸硅基氮化镓（GaN-on-Si）外延晶圆；世纪金光官网显示已实现以氮化镓基外延片为主的生产和销售。

（二）SiC外延

全球纯粹做碳化硅外延，典型的就是中国的大陆的EpiWorld（瀚天天成）、东莞天域以及台湾的嘉晶电子。业内的龙头是Cree旗下的Wolfspeed（IDM模式），除了对外提供衬底片和外延片，还做器件、模块。同时日本昭和电工也是优越的碳化硅外延供应商。目前，国内瀚天天成、东莞天域半导体均可供应4-6英寸外延片，中电科13所、55所亦均有内部供应的外延片生产部门。

2024年中国半导体外延片行业市场全景调查及投资前景研究报告

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半导体外延片是一种用于制造半导体器件的基板材料。它通常由单晶硅或其他半导体材料制成，具有高度纯净和晶体结构的特点。半导体外延片的制备过程通常是通过在晶体基片上沉积一层薄膜来实现。这层薄膜的材料和结构与基片相同或相似，从而形成一个连续的晶体结构。这种外延片可以用于制造各种半导体器件，如晶体管、二极管、太阳能电池等。半导体外延片的制备过程需要高度精确的控制和技术。它通常通过化学气相沉积(CVD)或分子束外延(MBE)等技术来实现。这些技术可以在高温和真空环境下将薄膜材料沉积在基片上，从而实现外延片的制备。

半导体外延片在半导体工业中具有广泛的应用。它可以用于制造各种半导体器件，如集成电路、光电器件、传感器等。外延片的质量和性能对于器件的性能和可靠性具有重要影响，因此外延片的制备技术和质量控制非常关键，根据外延片的材料类型，可以将其分为硅外延片、砷化镓外延片、磷化镓外延片、氮化镓外延片等。不同的材料类型适用于不同的半导体器件制造;根据外延片的衬底类型，可以将其分为硅衬底外延片、蓝宝石衬底外延片、碳化硅衬底外延片等。不同的衬底类型对外延片的生长和性能有影响;根据外延片的结构类型，可以将其分为单晶外延片和多晶外延片。单晶外延片具有高度纯净和晶体结构，适用于高性能器件制造;根据外延片的尺寸类型，可以将其分为小尺寸外延片和大尺寸外延片。尺寸较小的外延片适用于研究和小批量生产，而尺寸较大的外延片适用于大规模生产:根据外延片的应用领域，可以将其分为光电子外延片、功率电子外延片、微波射频外延片等。不同的应用领域对外延片的性能和特性有不同的要求。随着消费电子等国内需求降速，我国半导体外延片需求量增长开始偏缓，数据显示，2023年我国半导体硅外延片市场规模约112.5亿元，较2022年增长3.3%。

半导体硅外延片主要由多晶硅原材料经过晶体生长、硅片成型和外延生长等工艺制备得到。由于掺杂工艺灵活，厚度、电阻率等器件参数便于调节，半导体硅外延片具有诸多优质特性，可以显著改善器件反向耐用性、截止频率等性能。半导体硅外延片被大规模应用于对稳定性、缺陷密度、高电压及电流耐受性等要求更高的高级半导体器件中，主要包括 MOSFET、晶体管等功率器件，及CIS、PMIC 等模拟器件，终端应用包括汽车、高端装备制造、能源管理、通信、消费电子等。

政策的推动和支持，我国硅片企业如雨后春笋出现，但因缺失技术、资金等多方面的供给，大多硅片企业处于成 长期。我国硅片技术水平与国际领先水平存在差距，并且大多以生产200mm硅片为主。当前高端硅片仍然牢牢地 掌握在海外厂商的手中，我国要实现硅片国产化自足仍需注入更多地投资，人才以及心血。

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数据说明：

1：本报告核心数据更新至2023年12月（报告中非上市企业受企业信批影响，相关财务指标或存在一定的滞后性），报告预测区间为2024-2030年。

2：除一手调研信息和数据外，国家统计局、中国海关、行业协会、上市公司公开报告（招股说明书、转让说明书、年报、问询报告等）等权威数据源亦共同构成本报告的数据来源。一手资料来源于研究团队对行业内重点企业访谈获取的一手信息数据，主要采访对象有企业高管、行业专家、技术负责人、下游客户、分销商、代理商、经销商以及上游原料供应商等；二手资料来源主要包括全球范围相关行业新闻、公司年报、非盈利性组织、行业协会、政府机构及第三方数据库等。

3：报告核心数据基于智研团队严格的数据采集、筛选、加工、分析体系以及自主测算模型，确保统计数据的准确可靠。

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