摘要：宽禁带半导体具备禁带宽度大、电子饱和飘移速度高、击穿场强大等优势，是制备高功率密度、高频率、低损耗电子器件的理想材料。碳化硅(SiC)材料具有热导率高、化学稳定性好、耐高温等优点，在SiC衬底上外延宽禁带半导体材料，对充分发挥宽禁带半导体材料的优势，并提升宽禁带半导体电子器件的性能具有重要意义。得益于SiC衬底质量持续提升及成本不断降低，基于SiC衬底的宽禁带半导体电子市场呈现逐年增加的态势。在SiC衬底上外延生长高质量的宽禁带半导体材料是提高宽禁带半导体电子器件性能及可靠性的关键瓶颈。本文综述了近年来国内外研究者们在SiC衬底上外延SiC、氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga2O3)所取得的研究进展，并展望了SiC衬底上宽禁带半导体外延的发展及应用前景。
0引言
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。此外，GaN基功率器件已广泛应用到了低压领域。除SiC、GaN以外，近年来新兴的氧化镓(Ga2O3)材料有望与现有的SiC及GaN技术形成技术互补，在低频、高压领域具有潜在的应用前景。
宽禁带半导体在高温、高压、高功率场景中有应用优势，而这些场景对器件的散热性能以及可靠性提出了严峻考验。SiC衬底具有高热导率、高化学稳定性、耐高温等优异性能，基于其制备的第三代半导体器件具有更高的散热性能，能够提升器件的性能与可靠性，也有利于减小系统散热模块体积。SiC衬底是发展较成熟的第三代半导体材料，目前已实现商业化。
国际上，主流产品从4英寸向6英寸转化，8英寸衬底已经成功研发出来，代表公司包括Cree、DowCorning、SiCrystal、Ⅱ-Ⅵ、Norstel等。国内SiC产业起步较晚，目前主流产品为4英寸，6英寸衬底目前已在市场上推出。主要企业包括天岳、天科合达等。SiC衬底的晶体质量不断提升，尺寸逐渐增大，成本不断降低，使得基于SiC衬底的宽禁带半导体电子器件的市场占有率逐年提升。而在SiC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的应用的关键。
本文主要讲述基于SiC衬底的宽禁带半导体GaN、SiC、Ga2O3等外延生长研究，分别介绍其存在的问题和相应的解决方案，并展望了基于SiC衬底的宽禁带半导体外延的发展前景。
1.基于SiC衬底的GaN异质外延
Ⅲ族氮化物的禁带宽度在0.7-6.2eV范围内连续可调，且具有高电子饱和漂移速度、耐高温、大功率密度等优点，使得其在光电子和微电子领域具有广阔的应用前景。由于同质衬底的研发目前尚处于起步阶段，其质量与尺寸仍需进一步提高，且价格昂贵，所以目前Ⅲ族氮化物多通过异质外延获得。Ⅲ族氮化物异质外延的常用衬底包括Si、蓝宝石和SiC，其基本参数如表1所示。
其中，蓝宝石衬底热导率低、解理困难，主要应用在LED产业。在微电子领域所用衬底包括Si和SiC，GaN-on-Si主要应用在功率器件上，目前在中低压领域占有一定市场，由于Si与GaN间大的晶格失配和热失配限制材料质量，Si衬底GaN基器件难以实现高压环境应用。SiC衬底与GaN的晶格失配及热失配较小，且具有较高的击穿场强及热导率，能够外延获得高质量GaN。但是目前成本相对Si较高，主要应用在对材料质量要求更高的射频器件领域，如电信和军事领域，也是GaN射频市场的主导技术。
根据国际知名行业咨询机构Yole的统计,GaN基射频芯片的市场份额在5年内将达20亿美元。随着GaN-on-SiC成本不断降低，器件性能和可靠性不断提升，GaN-on-SiC将有望与GaN-on-Si市场竞争。
1.1SiC衬底外延GaN存在问题
目前在SiC衬底上外延GaN存在以下几点技术难点：
（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[10]。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。
1.2解决方案
1.2.1SiC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，研究者在外延之前采用湿法腐蚀降低衬底表面缺陷对GaN外延薄膜质量的影响。
M.E.Lin等人在分子束外延（MBE）前，对SiC衬底在H2:He（1：1）等离子体气氛中℃处理90min，随后通过MBE外延生长GaN。该课题组对比了SiC衬底和蓝宝石衬底上外延GaN的晶体质量与电学性质。如图1所示，SiC衬底上外延GaN电子迁移率与结晶质量均高于蓝宝石衬底外延。然而由于GaN外延常用的金属有机化合物气相外延（MOCVD）多数不具备等离激元产生系统，上述方法在MOCVD中不适用。
在MOCVD外延中，研究者通过稀释的HF缓冲液刻蚀去除SiC衬底表面破坏层。此外，也有研究者采用湿法刻蚀与原位刻蚀结合的方式清理SiC衬底表面。H.Zhang等人[18]在衬底清洗后，在MOCVD腔室中，对衬底在H2和NH3混合气氛中进行高温退火处理，最终外延得到了高质量外延层。
而D.D.Koleske等人将衬底经清洗后放入MOCVD腔室中在H2气氛进行高温热退火，提高了衬底表面质量。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。
1.2.2外延生长调控
本部分将介绍SiC衬底上外延生长高质量GaN薄膜的研究进展。针对SiC衬底外延GaN存在的堆垛层错（SFs）缺陷问题、Ga原子浸润性差问题以及晶格失配与热失配问题等，讲述引入缓冲层（包括AlN、AlGaN、AlN/GaN、SiNx等）、直接外延GaN、图形化衬底等方案对GaN薄膜的质量改善。
引入缓冲层是GaN外延生长中常用的改善外延层结晶质量的方法。引入AlN缓冲层能够有效改善SiC表面浸润层，调控应力，阻挡衬底缺陷向GaN外延层的延伸，从而改善GaN外延层质量。如图2所示，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。
采用AlN缓冲层方法是目前GaN-on-SiC的主流技术，AlN的生长参数对后续高质量GaN外延至关重要。从90年代以来，研究者们通过优化厚度、温度以及生长步骤等方法对AlN缓冲层进行了优化。在厚度调控方面，SatoruTanaka等人的研究表明，表面粗糙度小、结晶质量好的超薄AlN缓冲层有利于降低GaN外延层中的位错密度。当AlN缓冲层厚度为1.5nm时，GaN层中的位错密度低至~-8-2。之后，DingGuojian等人提出AlN缓冲层太薄不利于降低GaN外延层中的位错密度。
基于厚度为nm的AlN缓冲层，他们获得了高质量的GaN外延薄膜，其（）和（）XRD的半峰宽分别为arcsec和arcsec。在温度调控方面，T.WarrenWeeks等人提出AlN缓冲层生长温度为-℃时得到的是多晶AlN层，不利于高质量GaN的获得，将生长温度提高至1℃以上可获得高质量的AlN单晶层，并有利于降低GaN外延层中的位错密度，他们获得0.5μmGaN位错密度约1×cm-2。D.D.Koleske等人研究了AlN缓冲层生长温度对GaN层电学特性的影响，发现对于4H-和6H-SiC衬底，最优AlN缓冲层的最佳生长温度分别为℃及℃。
在生长步骤方面，E.Cho等人提出采用两步生长法（温度分别为℃及℃）可优化AlN缓冲层表面形貌与结晶质量，有利于降低GaN外延层的应力与位错密度，他们最终获得的GaN位错密度为6×-9×cm-2。ChuanhaoLi等人通过交替通入三甲基铝(TMA)/NH3的方式优化AlN缓冲层质量，外延获得GaN（厚度1.8μm）XRD()半峰宽为arcsec，（）面半峰宽为arcsec[28]。尽管文献中关于AlN缓冲层优化的条件有所不同，但是可以得到结论：结晶质量好，表面形貌平滑的AlN缓冲层有利于优化GaN外延层质量。
除优化AlN缓冲层生长参数外，GaN外延生长优化也是获得高质量外延层的关键。关于AlN缓冲层上GaN外延模式，年，S.Einfeldt等人研究了AlN缓冲层上GaN外延生长模式，认为模式为层状与岛状混合生长。一年后，B.Moran等人观察到GaN外延生长模式为岛状生长，位错产生于岛与岛合并的边缘以及继承自AlN层。
之后，Y.S.Cho等人研究发现，GaN在AlN缓冲层上呈岛状生长易产生SFs，调控生长参数以实现二维生长，能够抑制SFs缺陷的形成。他们在AlN/GaN界面插入Al组分逐渐减小的AlGaN缓冲层，以缓冲由于界面应力导致的三维岛状生长。通过调节AlGaN渐变层的Al组分与厚度，最终有效降低了GaN层中SFs的缺陷密度。目前，GaN-on-SiC已经产业化，Cree公司（3μm）GaN-on-SiC产品（）面XRD半峰宽arcsec。
虽然AlN缓冲层能够有效提高SiC表面浸润性，缓解SiC衬底与GaN之间应力，但是AlN缓冲层带来的热阻问题造成HEMT沟道温度增加，抑制器件峰值功率密度，此外AlN的宽带隙会阻挡电子输运，不利于SiC基GaN垂直器件的发展。因此，研究者们提出通过引入AlGaN缓冲层、优化直接外延GaN的生长条件等方式来获得高质量的GaN。对于AlGaN缓冲层，研究表明为改善SiC表面浸润性，AlGaN中Al组分须大于等于6%。
与AlN缓冲层相比,AlGaN缓冲层上GaN受到的应力较小，受界面驱动力影响其生长初期岛的形成被抑制，外延生长模式为台阶流生长。受AlGaN相分离问题的影响，GaN外延层易出现深槽型缺陷。在SiC上直接外延GaN为三维岛状生长，易在表面产生六边形岛状起伏。
年，H.Lahrche等人提出了三步生长法直接外延GaN来提高材料质量：先生长薄的3DGaN（-nm）；再在NH3气氛中原位退火使表面变平滑；最后调整生长参数2D外延GaN，外延GaNXRD摇摆曲线半峰宽（）面arcsec，（）面arcsec[35]。尽管文献中通过调整外延参数能获得高结晶质量GaN，但是SiC衬底上直接外延的GaN受张应力，在外延厚度超过1μm时易出现裂纹。
年，ZhengSun等人通过三甲基铝（TMAl）预处理的方式，在SiC与GaN界面形成AlGaN薄层，获得1.2μm无裂纹GaN，其位错密度，螺位错密度4.7×cm-2,刃位错密度为1.4×cm-2。年，YuxiaFeng等人采用同样预通TMAl的方式，获得了2μm厚无裂纹GaN，其（）和（）XRD半峰宽均为arcsec。
此外，也有研究者采用图形化衬底的方式在SiC衬底上外延GaN。2年，F.Yun等人使用表面有孔洞的SiC衬底[图3(a)]外延GaN，使GaN外延层中的位错密度降低了一个数量级（位错密度1×cm-2）。同年，PhilipG.Neudeck等人用表面有mesa-pattern的SiC衬底[图3(b)]外延GaN显著降低位错密度[39]，但是表面出现由于岛合并导致的pit缺陷。虽然该方法起到降低位错密度的作用，但是外延得到的GaN位错密度仍然较高，因此近年来少有相关报道。
年，ShiweiSong等人在SiC衬底外延GaN过程中原位引入SiNx缓冲层，有效提升了外延层结晶质量，外延GaN的（）XRD半峰宽arcsec，（）面半峰宽为arcsec。年，X.R.Huang等人提出通过控制衬底斜切角的方法调控外延层的应力释放，证明有倾角SiC衬底有利于面内应力的释放。年，Chung-WangSu等人对比无倾角和4°倾角SiC衬底上HEMT器件性能，发现4°倾角衬底上器件性能更好。但是也有研究表明，有倾角SiC衬底上外延GaN缺陷和应力分布不均匀，易导致外延片裂纹产生。目前，大部分GaN-on-SiC采用无倾角SiC衬底2.SiC同质外延SiC材料在智能电网、光伏、电动汽车、工业电机、铁路交通等领域有广阔应用前景。
外延是制备SiC基器件的关键技术。常见的SiC同质外延生长技术有化学气相沉积技术（CVD）、液相外延技术（LPE）和分子束外延技术（MBE）等。相比之下，CVD具有可以在较高生长速率下获得高质量外延层，可以对SiC外延层的厚度实现精确控制，并且能够可控实现SiC原位掺杂等多种优点，已成为SiC外延生长的主流技术，并得到了广泛应用。在SiC的多型体中，由于4H-SiC的禁带宽度较大、载流子迁移率较高、掺杂剂离化能较低，是功率电子领域常用的一种材料。在4H-SiC同质外延研究中，研究者们的
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