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我们知道，SiC 体材料的质量以及其表面特性不能够满足直接制造器件的要求，制造 SiC 的大功率、高压、高频的器件需要较厚的外延层以及较低的掺杂浓度。所以今天我们就来聊聊 SiC 外延的那些事儿~
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SiC 外延生长
首先，材料的生长大的方向来说分为液相生长和气相生长，液相生长即单晶从液固平衡系统中生长；而气相生长则是气相中的原子或分子在结晶界面上不断沉积来实现生长的方法。两者比较来说，液相生长可以提供低成本和大尺寸的单晶材料，可以提供大规模的生长，而有些半导体材料需要采用很高的压力来放置其在低熔点温度下分解，这里便包括 SiC,以及 GaN 和 ZnO；采用气相生长的方法可以得到质量高的 SiC 体单晶材料、外延层以及器件异质结构。
SiC 的外延生长的方法包括一下几种：
其中，化学气相淀积 CVD 法是目前化合物半导体外延生长的标准工艺技术，同时其在特殊高温下的技术用于生长较厚的 SiC 外延层。
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SiC 的同质外延
之前我们说过，SiC 具有多型结构，如立方结构、六角结构、菱形结构等，目前 SiC 大概有 170 多种多型结构体，不同的多形体表现出来的特性也不相同，比如带隙能量可在 2.42~3.33eV 之间。SiC 的同质外延生长指的是与 SiC 衬底具有相同聚合态的外延层的生长。
对于 SiC 的高压大功率器件的制造，一般掺杂浓度需要控制在 5x10^14~1x10^15/cm³，同时根据击穿电压的不同要求保证外延层的厚度(一般需要至少 50um)。SiC 同质外延生长的方法包括蒸发生长法、分子束外延、液相外延和 CVD 生长技术。下面我们逐个介绍这几种方法：
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蒸发生长法
SiC 的蒸发生长技术就是上述升华法或者物理气相传输法，相对来说较为简单，外延层的生长时间非常短，生长温度比体晶体的生长温度要低。
首先提出的蒸发生长法又叫 LETI 法或者改进的 Lely 法，因为这种方法可以用来进行籽晶的生长也可以用来进行外延生长。反应系统框图如下(画得有点丑，哈哈)：
如上图，在柱形石墨坩埚里放置 SiC 粉末，小晶体和 SiC 多晶平板，对于外延生长，原材料和衬底之间的距离要小于衬底生长所需的距离。为了调整本征缺陷和掺杂浓度，外加原材料可以直接放置在坩埚中或者通过气体的方式掺杂；另外，为了保证很好的均匀性，生长过程中通常对坩埚进行旋转。过程中要维持 SiC 原材料加热的温度高于衬底的温度，SiC 原材料蒸发后蒸气将会在衬底生长面或者衬底托盘上冷却。生长环境一般是真空或者氩气，也有些在氢气环境中进行，外延层的生长速率一般为 0.1~5um/min。
上述蒸发生长出的外延层比作为衬底的体材料质量会高出很多，但是 SiC 的蒸发不均匀性使得很难利用其蒸发生长出较高质量的外延层和晶体。
另一种蒸发外延方法是三明治蒸发法，原材料主要是多晶平板或者表面较平的铸块，平行并靠近单晶片放置，在准平衡状态下完成生长。主要目的是为了改善晶体质量和减小缺陷密度。
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分子束外延
分子束外延这种方法是在超高真空以及热动力很不平衡的状态下生长的。原材料进行蒸发作为分子束进行传输，最终到达预热、旋转的衬底。这个过程的生长速率和组分可以得到很好的控制。分子束外延(MBE)可以提供高纯质量、高精准厚度、低温的外延层，温度低于其他 SiC 生长的温度。分子束外延的典型生长速率是 0.1~2nm/min。
MBE 法的优势在于低生长温度和能够生长不同的 SiC 晶型，因此能够实现具有不同带隙晶型层的异质结构；而缺点是必须在生长炉内保证超高真空，导致其设备相对来说比较昂贵。
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液相外延
液相外延 LPE 法是一种相对而言较为简单并且成本较低的生长方法，其生长发生在三相平衡线上(提供外延生长和液相平衡)。SiC 的液相外延最初是利用过饱和溶解硅和碳在熔融条件下进行的，但是这种生长速率较慢，最大不超过 7um 每小时。所以，为了加快生长速率，使用一些稀有元素如 Sc 来增加碳的溶解度，使得生长速度增加到 150um 每小时。
缺点，这种方法很难控制好外延层的表面形貌，从而限制了 LPE 的使用。
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CVD 生长
化学气相淀积 CVD 法是制造先进外延结构的方法。反应器中的压力可以通过气体产生，低压化学气相淀积 LPCVD，压力为 10~1000mbar，低压可以减小气相成核，SiC 一般使用较为广泛。气流由质量流控制器精确控制，衬底置于旋转加热的石墨托盘上，来自气相的分子束扩散到衬底的表面，在衬底表面分解，并由衬底表面吸收和反应后形成外延层。
CVD 法提供了能够重复生长几个单原子层厚度，同时生长厚外延层时能够对生长速率精确控制，这种方法的产量非常高。
外延生长过程中，气相 Si 和 C 的比例会影响生长速率、外延层的质量以及杂质的掺入，CVD 的一个优势便是可以在生长过程中很好地控制 Si/C 比。具有较高质量的厚有源层对于高压、高功率的器件来说是非常必要的，但是 CVD 法的生长速率较慢，无法满足商用所需的效率；蒸发生长虽然速率能够达到，但是对生长晶体的气相 Si/C 比无法很好的控制，也就相当于本征点缺陷浓度无法很好的控制，使用高温化学气相法即 HTCVD 可以很好地控制 Si/C 比也能够得到较好的生长速率。
当然，CVD 只是方法的统称，具体的系统构造和参数控制这些细节决定了 SiC 外延层各方面的区别。目前，对于 SiC 外延层仍然存在各种缺陷，从而对器件特性造成影响，所以针对 SiC 的外延生长工艺需要进行不断的优化，同时整个 SiC 器件的生产工艺以及设备也是后期不断关注的话题。下一篇我们来聊聊 SiC 外延层的缺陷。
