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1.1 優(yōu)質(zhì)的新型半導體襯底材料
半導體材料根據(jù)時間先后可以分為三代。第一代為鍺、硅等普通單質(zhì)材料，其
特點為開關便捷，一般多用于集成電路。第二代為砷化鎵、磷化銦等化合物半導體，
主要用于發(fā)光及通訊材料。第三代半導體主要包括碳化硅、氮化鎵等化合物半導體
和金剛石等特殊單質(zhì)。憑借優(yōu)秀的物理化學性質(zhì)，碳化硅材料在功率、射頻器件領
域逐漸開啟應用。

第三代半導體耐壓性較好，是大功率器件的理想材料。第三代半導體主要是碳
化硅和氮化鎵材料， SiC 的禁帶寬度為 3.2eV，GaN 的禁帶寬度為 3.4eV，遠超
過 Si 的禁帶寬度 1.12eV。由于第三代半導體普遍帶隙較寬，因此耐壓、耐熱性較
好，常用于大功率器件。其中碳化硅已逐漸走入大規(guī)模運用，在功率器件領域，碳
化硅二極管、MOSFET 已經(jīng)開始商業(yè)化應用。

基于上述特性，以碳化硅為襯底制成的功率器件相比硅基功率器件在性能方
面更加具有優(yōu)勢：

（1）更強的高壓特性。碳化硅的擊穿電場強度是硅的 10 余倍，

使得碳化硅器件耐高壓特性顯著高于同等硅器件。

（2）更好的高溫特性。碳化硅相較硅擁有更高的熱導率，使得器件散熱更容易，極限工作溫度更高。耐高溫特性可以帶來功率密度的顯著提升，同時降低對散熱系統(tǒng)的要求，使終端可以更加輕量和小型化。

（3）更低的能量損耗。碳化硅具有 2 倍于硅的飽和電子漂移速率，使得碳化硅器件具有極低的導通電阻，導通損耗低；碳化硅具有 3 倍于硅的禁帶寬度，使得碳化硅器件泄漏電流比硅器件大幅減少，從而降低功率損耗；碳化硅器件在關斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開關損耗低，大幅提高實際應用的開關頻率。

根據(jù)ROHM的數(shù)據(jù)，相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET導通電阻是硅基MOSFET
的 1/200，尺寸是是硅基 MOSFET 的 1/10。對于相同規(guī)格的逆變器來說，使用碳
化硅基 MOSFET 相比于使用硅基 IGBT 系統(tǒng)總能量損失小于 1/4。

碳化硅優(yōu)良的頻率、散熱特性，使得其在射頻器件上也得到廣泛應用。碳化硅、
氮化鎵材料的飽和電子漂移速率分別是硅的 2.0、2.5 倍，因此碳化硅、氮化鎵器
件的工作頻率大于傳統(tǒng)的硅器件。然而，氮化鎵材料存在耐熱性能較差的缺點，而
碳化硅的耐熱性和導熱性都較好，可以彌補氮化鎵器件耐熱性較差的缺點，因此業(yè)
界采取半絕緣型碳化硅做襯底，在襯底上生長氮化鎵外延層后制造射頻器件。

按照電學性能的不同，碳化硅襯底可分為半絕緣型碳化硅襯底和導電型碳化
硅襯底兩類，這兩類襯底經(jīng)外延生長后分明用于制造功率器件、射頻器件等分立器
件。其中，半絕緣型碳化硅襯底主要應用于制造氮化鎵射頻器件、光電器件等。通
過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進
一步制成 HEMT 等氮化鎵射頻器件。導電型碳化硅襯底主要應用于制造功率器件。
與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，
需在導電型襯底上生長碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造肖特
基二極管、MOSFET、IGBT 等功率器件。

外延工藝是指在碳化硅襯底的表面上生長一層質(zhì)量更高的單晶材料，如果在
半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，則稱為異質(zhì)外延；如果在導電型碳化硅
襯底表面生長一層碳化硅外延層，則稱為同質(zhì)外延。

外延層的生長可以消除襯底生長中的某些缺陷，生長的外延層質(zhì)量相對較好。碳化硅晶體生長的過程中會不可避免地產(chǎn)生缺陷、引入雜質(zhì)，導致襯底材料的質(zhì)量和性能都不夠好。而外延層的生長可以消除襯底中的某些缺陷，使晶格排列整齊。例如襯底缺陷中的 BPD（基平面位錯）約 95%轉(zhuǎn)化為 TED（貫穿刃型位錯），而BPD 可導致器件性能退化，TED 基本不影響最終碳化硅器件的性能。

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