宽禁带科技论|深圳平湖实验室：面向特高压大电流功率器件的8英寸200μm4H-SiC厚膜同质 ...

在新能源汽车、智能电网、新型储能等领域飞速发展的今天，电力系统对高功率密度、低损耗、高可靠的电能转换与传输需求日益迫切。特高压（≥20kV）SiC 功率器件凭借其优异的性能，成为替代传统 Si 基 IGBT 的核心方案。然而，高质量、低缺陷密度的 SiC 厚外延膜制备一直是制约其大规模产业化的关键瓶颈。

近日，深圳平湖实验室的研究团队在《人工晶体学报》网络首发的研究成果，成功攻克了这一技术难题，为特高压大电流功率器件的发展注入了强劲动力。

01 技术挑战：特高压 SiC 厚膜外延的三大核心难题

与常规 1-3kV 电压等级的 SiC 器件不同，特高压大电流 SiC 功率器件对外延膜提出了极为严苛的要求：外延厚度需不小于 180μm，掺杂浓度低至 1×101⁴ cm⁻3 量级，同时还要保证高均匀性、低缺陷密度和长少子寿命。这带来了三大核心技术挑战：

缺陷控制困难：高温 CVD 生长过程中，随着外延厚度增加，反应腔室内沉积物累积导致三角形缺陷、掉落物等缺陷数量大幅增加，部分缺陷还会横向扩展，严重影响外延片可用面积；

少子寿命偏低：双极型器件（如 IGBT）对少子寿命要求不低于 5μs，但现有商用 SiC 外延片的少子寿命通常仅 1-2μs，难以满足需求；

均匀性调控难度大：8 英寸大尺寸外延片在极轻掺杂浓度下，厚度和掺杂浓度的均匀性控制成为技术难点，现有水平难以达到特高压器件的应用要求。

02 创新方案：精准调控实现高质量外延生长

为解决上述难题，研究团队基于垂直进气热壁式高温 CVD 设备，通过结构优化与工艺创新，构建了一套高效的 SiC 厚膜同质外延技术方案：

1.设备与工艺优化

采用顶部向下垂直供气、底部抽气的反应室结构，优化喷淋头设计，确保反应气体在衬底表面均匀分布；

设计三区独立控温加热器，针对 8 英寸衬底优化温场，在 1600℃外延温度下实现良好的温度均匀性；

以三氯氢硅（TCS）和乙烯（C₂H₄）为反应前驱体，精确调控 C/Si 比在 0.95-1.10 范围，采用氮气和三甲基铝（TMAl）分别作为 n 型和 p 型掺杂源，实现掺杂浓度的精准控制；

生长前通过 1600℃、150slm H₂的表面原位刻蚀，保证外延层沿台阶流生长，生长速率稳定在 50μm/h。

2. 缺陷抑制关键技术

针对 p 型外延层三角形缺陷，通过降低生长速率、优化 TMAl 流量，将三角形缺陷密度从 2.23cm⁻2 降至 0.5cm⁻2；

外延生长前通入 300sccm HCl 和 150slm H₂进行原位清洁，生长过程中通入 500sccm HCl 辅助刻蚀，减少掉落物缺陷；

采用化学机械抛光（CMP）处理，有效降低外延层表面非致命缺陷的横向尺寸和数量，改善表面平整度。

03 成果斐然：多项性能指标达到国际先进水平

通过上述技术方案，研究团队成功制备出厚度达 200μm 的高质量 8 英寸 4H-SiC 同质外延厚膜，各项性能指标表现优异：

1.均匀性表现突出

外延层总厚度均值达 199.6μm，厚度不均匀性仅 0.95%，其中 p 型外延层厚度不均匀性为 2.2%；

掺杂浓度控制在 1.9×101⁴ cm⁻3，不均匀性仅 3.92%，8 个批次样品的总体掺杂浓度不均匀性仅 6.7%，重复性与稳定性优异；傅里叶红外光谱与 SEM 测试结果高度吻合，验证了厚度均匀性的可靠性（如图 2 所示）。

2. 缺陷密度显著降低，可用面积大幅提升

IGBT 结构外延片在 10mm×10mm 芯片尺度下，可用面积从优化前的低水平提升至 46.5%；

二极管 / MOSFET 结构外延片可用面积高达 96.9%，展现出优异的缺陷控制能力（如图 5 所示）；

表面缺陷主要为三角形缺陷及其衍生的基平面位错（BPD），通过针对性优化已实现有效抑制（如图 6 所示）。

3. 少子寿命与表面形貌满足器件需求

IGBT 结构外延片平均少子寿命达 5.65μs，二极管 / MOSFET 结构达 5.24μs，均超过 5μs 的应用要求，少子寿命分布与缺陷分布高度相关（如图 7 所示）；

AFM 测试显示，外延层表面无宏观台阶或台阶聚集现象，IGBT 结构中心与边缘的均方根粗糙度分别为 0.12nm 和 0.3nm，二极管 / MOSFET 结构分别为 0.12nm 和 0.25nm，表面形貌优良（如图 8 所示）。

04 应用前景：助力特高压器件产业化加速

该研究提出的高均匀性、低缺陷密度、高少子寿命 SiC 同质外延厚膜制备方案，不仅突破了特高压大电流功率器件的核心材料瓶颈，更为 SiC IGBT 等关键器件的制备提供了可靠的技术支撑。其在新型储能、智能电网、轨道交通等领域的产业化应用，将有效推动电力系统的能效提升与技术升级。未来，研究团队将进一步通过设备腔室与石墨件优化控制掉落物、优化外延工艺提升均匀性、增加高温氧化与退火工艺提升少子寿命等方式，持续完善 SiC 厚膜外延技术，为我国在宽禁带半导体材料与器件领域的自主可控发展贡献力量。这项技术突破不仅彰显了我国在 SiC 外延领域的科研实力，更将为全球能源转型与电力电子产业升级带来新的机遇！