外延生長技術的案例
諾貝爾獎團隊JACS:基于主客體策略的MOF外延生長
【引言】
液相外延（liquid-phase epitaxy）生長法是合成金屬有機骨架材料（MOFs）最常見的方法之一。然而，由于MOFs具有各向異性生長性質，目前只有有限的幾種MOFs能在晶格匹配的特定基質上進行直接外延生長。此外，作為制備基質支撐型MOFs或者核殼結構MOFs的關鍵因素，金屬節點的選擇大多數情況下也僅限于風扇輪（paddle-wheel）結構金屬鏈接。因此，發展液相外延方法并擴大其適用MOF類型依然是MOFs材料發展的關鍵的需求。以CD-MOFs為例，這是一類由堿金屬鹽和環糊精構成的多樣性網狀材料，其在分子識別、選擇性吸附分離等領域有著潛在的應用價值。目前，CD-MOFs擴展結構制備過程中金屬節點的使用已經打破風扇輪結構的局限，但是如何在給定的基質上外延生長這類MOFs依然是一項挑戰。
【成果簡介】
近日，美國西北大學的諾貝爾獎獲得者J. Fraser Stoddart教授（通訊作者）團隊設計了一種新型表面異質外延生長方法用于制備CD-MOFs。研究人員首先將化學改性的嵌二萘單元修飾到基質表面，通過嵌二萘與γ-CD的主客體絡合反應，γ-CD分子可被進一步固定在基質上從而實現γ-CD自組裝單層（SAMs）在基質上的沉積，最終促使CD-MOFs的成核生長。采用這種方法制備的CD-MOF薄膜具備面外結構取向的連續多晶形態，覆蓋面積高達數個平方毫米，厚度在2微米左右。基于此制備的電子探測器件展現出對二氧化碳的快速響應能力以及優異的可逆檢測循環性能。
展開 Soft Epi和Sundiode宣布聯合開發僅采用InGaN材料的紅綠藍三色堆疊型晶圓
Soft-Epi和Sundiode公司聯合開發的Micro-LED制作用紅綠藍三色堆疊型晶圓
根據外媒Compound Semiconductor報道，Soft-Epi公司總部位于韓國，擁有獨特的GaN外延技術，一直專注于可見光InGaN外延的制造，其中就包括基于氮化物材料制造的紅色LED。Sundiode是一家總部位于美國硅谷的公司，一直致力于顯示用Micro-LED技術的開發，具體來說其應用涉及增強現實（AR）和混合現實（MR）以及平視顯示器（HUD）等。
目前，業界為制造一款具有超高分辨率（5000 PPI）的下一代全彩色Micro-LED顯示器，通常會涉及一系列非常復雜的工藝，比如晶圓鍵合，然后在每個上單獨外延生長R、G和B之后移除襯底。事實上，這些工藝正是目前業界制造全彩色Micro-LED顯示器的最大問題。
現在，這兩家公司制作出了世界上第一個在單個襯底上具有獨立pn結的RGB外延層，該外延層具有單外延生長，無需額外的晶圓鍵合工藝。據介紹，這一新的突破性成果用到了Soft-Epi的外延生長技術和Sundiode的設計。
這與先前的傳統方案：晶片鍵合技術或基于電流密度變化調整波長的顏色控制方法完全不同。新方案使用了一種單片堆疊式紅綠藍結構，設計人員可以獨立驅動芯片以發出紅、綠和藍三種顏色。這也被認為是制造高分辨率微型顯示器，最理想RGB像素結構。
圖2. 紅綠藍三色堆疊型芯片極其發光狀態示意
圖2中展示了RGB堆疊式LED外延結構（左）及其發光圖像（右）的示意圖，其中，RGB三層通過隧道結串聯連接。該結構在最終用作實際微顯示器前，還會添加電流阻擋層，最終這三層可以被獨立驅動。
展開 碳化硅產業鏈條核心：外延技術
03.SiC外延片制備技術
碳化硅外延兩大主要技術發展，應用在設備上。
1980年提出的臺階流生長模型
此對外延的發展、對外延的質量都起到了非常重要的作用。它的出現首先是生長溫度，可以在相對低的溫度下實現生長，同時對于我們功率器件感興趣的4H晶型來說，可以實現非常穩定的控制。
引入TCS，實現生長速率的提升
引入TCS可以實現生長速率達到傳統的生長速率10倍以上，它的引入不光是生產速率得到提升，同時也是質量得到大大的控制，尤其是對于硅滴的控制，所以說對于厚膜外延生長來說是非常有利的。這個技術率先由LPE在14年實現商業化，在17年左右Aixtron對設備進行了升級改造，將這個技術移植到了商業的設備中。
碳化硅外延中的缺陷其實有很多，因為晶體的不同所以它的缺陷和其它一些晶體的也不太一樣。他的缺陷主要包括微管、三角形缺陷、表面的胡蘿卜缺陷，還有一些特有的如臺階聚集。
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1980年提出的臺階流生長模型
此對外延的發展、對外延的質量都起到了非常重要的作用。它的出現首先是生長溫度，可以在相對低的溫度下實現生長，同時對于我們功率器件感興趣的4H晶型來說，可以實現非常穩定的控制。
引入TCS，實現生長速率的提升
引入TCS可以實現生長速率達到傳統的生長速率10倍以上，它的引入不光是生產速率得到提升，同時也是質量得到大大的控制，尤其是對于硅滴的控制，所以說對于厚膜外延生長來說是非常有利的。這個技術率先由LPE在14年實現商業化，在17年左右Aixtron對設備進行了升級改造，將這個技術移植到了商業的設備中。
碳化硅外延中的缺陷其實有很多，因為晶體的不同所以它的缺陷和其它一些晶體的也不太一樣。他的缺陷主要包括微管、三角形缺陷、表面的胡蘿卜缺陷，還有一些特有的如臺階聚集。
基本上很多缺陷都是從襯底中直接復制過來的，所以說襯底的質量、加工的水平對于外延的生長來說，尤其是缺陷的控制是非常重要的。
碳化硅外延缺陷一般分
為致命性和非致命性：
致命性缺陷像三角形缺陷，滴落物，對所有的器件類型都有影響，包括二極管，MOSFET，雙極性器件，影響最大的就是擊穿電壓，它可以使擊穿電壓減少20%，甚至跌到百分之90。
非致命性的缺陷比如說一些TSD和TED，對這個二極管可能就沒有影響，對MOS、雙極器件可能就有壽命的影響，或者有一些漏電的影響，最終會使器件的加工合格率受到影響。
展開 
碳化硅產業鏈條核心：外延技術
SiC外延片關鍵參數
碳化硅外延材料的最基本的參數，也是最關鍵的參數，就右下角黃色的這一塊，它的厚度和摻雜濃度均勻性。
我們所講外延的參數其實主要取決于器件的設計，比如說根據器件的電壓檔級的不同，外延的參數也不同。
一般低壓在600伏，我們需要的外延的厚度可能就是6個μm左右，中壓1200~1700，我們需要的厚度就是10~15個μm。高壓的話1萬伏以上，可能就需要100個μm以上。所以隨著電壓能力的增加，外延厚度隨之增加，高質量外延片的制備也就非常難，尤其在高壓領域，尤其重要的就是缺陷的控制，其實也是非常大的一個挑戰。
03
SiC外延片制備技術
碳化硅外延兩大主要技術發展，應用在設備上。
1980年提出的臺階流生長模型
此對外延的發展、對外延的質量都起到了非常重要的作用。
它的出現首先是生長溫度，可以在相對低的溫度下實現生長，同時對于我們功率器件感興趣的4H晶型來說，可以實現非常穩定的控制。
引入TCS，實現生長速率的提升
引入TCS可以實現生長速率達到傳統的生長速率10倍以上，它的引入不光是生產速率得到提升，同時也是質量得到大大的控制，尤其是對于硅滴的控制，所以說對于厚膜外延生長來說是非常有利的。這個技術率先由LPE在14年實現商業化，在17年左右Aixtron對設備進行了升級改造，將這個技術移植到了商業的設備中。
展開 哈勃投的第四家碳化硅企業，為什么選擇做SiC外延的它？
國產的產品尚無法進入主流的供應鏈，碳化硅襯底和外延的成本目前占到碳化硅模塊總成本的50%以上，如果該問題不得到解決，我國碳化硅產業相比于美國很難有什么太大的競爭力。
相比襯底，外延仿佛是個很好切入的市場，一方面，外延環節技術較為單一，主要過程為在原SiC襯底上生長一層新單晶。是整個產業鏈中附加值和技術門檻最低的環節，另一方面外延環節依賴成熟的設備(目前業界主流設備為Aixtron等公司提供的CVD設備)，氣相沉積流程通過流量計嚴格控制，業界和設備商有相對成熟的技術。
同時，國內廠商技術與國外先進水平差距目前來看不是非常大，與瀚天天成為例，已經可以與昭和電工的產品在全球多個市場競爭。
瀚天天成和東莞天域是國內SiC外延的主要廠商，其中瀚天天成為國內外延龍頭企業，瀚天天成在外延工藝環節積累了一定的Know-how，相對走的稍快一些，但天域也是緊隨其后。雖然，目前國內廠商在長厚膜高壓器件，在更高功率、高電流、高電壓器件結構相關的外延技術上仍有提升空間，在產能和工藝優化上仍有提升空間，成本還需要進一步控制，但在外延市場，國產企業已經能占有一席之地了。
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SiC外延片關鍵參數
碳化硅外延材料的最基本的參數，也是最關鍵的參數，就右下角黃色的這一塊，它的厚度和摻雜濃度均勻性。
我們所講外延的參數其實主要取決于器件的設計，比如說根據器件的電壓檔級的不同，外延的參數也不同。
一般低壓在600伏，我們需要的外延的厚度可能就是6個μm左右，中壓1200~1700，我們需要的厚度就是10~15個μm。高壓的話1萬伏以上，可能就需要100個μm以上。所以隨著電壓能力的增加，外延厚度隨之增加，高質量外延片的制備也就非常難，尤其在高壓領域，尤其重要的就是缺陷的控制，其實也是非常大的一個挑戰。
03 SiC外延片制備技術
碳化硅外延兩大主要技術發展，應用在設備上。
1980年提出的臺階流生長模型
此對外延的發展、對外延的質量都起到了非常重要的作用。它的出現首先是生長溫度，可以在相對低的溫度下實現生長，同時對于我們功率器件感興趣的4H晶型來說，可以實現非常穩定的控制。
引入TCS，實現生長速率的提升
引入TCS可以實現生長速率達到傳統的生長速率10倍以上，它的引入不光是生產速率得到提升，同時也是質量得到大大的控制，尤其是對于硅滴的控制，所以說對于厚膜外延生長來說是非常有利的。
展開 智芯文庫 | SiC產業鏈中外延技術分析
SiC外延片關鍵參數
碳化硅外延材料的最基本的參數，也是最關鍵的參數，就右下角黃色的這一塊，它的厚度和摻雜濃度均勻性。
我們所講外延的參數其實主要取決于器件的設計，比如說根據器件的電壓檔級的不同，外延的參數也不同。
一般低壓在600伏，我們需要的外延的厚度可能就是6個μm左右，中壓1200~1700，我們需要的厚度就是10~15個μm。高壓的話1萬伏以上，可能就需要100個μm以上。所以隨著電壓能力的增加，外延厚度隨之增加，高質量外延片的制備也就非常難，尤其在高壓領域，尤其重要的就是缺陷的控制，其實也是非常大的一個挑戰。
SiC外延片制備技術
碳化硅外延兩大主要技術發展，應用在設備上。
1980年提出的臺階流生長模型
此對外延的發展、對外延的質量都起到了非常重要的作用。它的出現首先是生長溫度，可以在相對低的溫度下實現生長，同時對于我們功率器件感興趣的4H晶型來說，可以實現非常穩定的控制。
引入TCS，實現生長速率的提升
引入TCS可以實現生長速率達到傳統的生長速率10倍以上，它的引入不光是生產速率得到提升，同時也是質量得到大大的控制，尤其是對于硅滴的控制，所以說對于厚膜外延生長來說是非常有利的。這個技術率先由LPE在14年實現商業化，在17年左右Aixtron對設備進行了升級改造，將這個技術移植到了商業的設備中。
碳化硅外延中的缺陷其實有很多，因為晶體的不同所以它的缺陷和其它一些晶體的也不太一樣。他的缺陷主要包括微管、三角形缺陷、表面的胡蘿卜缺陷，還有一些特有的如臺階聚集。
展開 IGBT為什么被稱為電力電子行業的“CPU”
毫不夸張地說，這就是電動車領域的“核心技術”。
從結構上講，IGBT主要有三個發展方向：
1、IGBT縱向結構：非透明集電區NPT型、帶緩沖層的PT型、透明集電區NPT型和FS電場截止型；
2、IGBT柵極結構：平面柵機構、Trench溝槽型結構；
3、硅片加工工藝：外延生長技術、區熔硅單晶；
按照封裝工藝來看，IGBT模塊主要可分為焊接式與壓接式兩類。高壓IGBT模塊一般以標準焊接式封裝為主，中低壓IGBT模塊則出現了很多新技術，如燒結取代焊接，壓力接觸取代引線鍵合的壓接式封裝工藝。
隨著IGBT芯片技術的不斷發展，芯片的最高工作結溫與功率密度不斷提高，IGBT模塊技術也要與之相適應。未來IGBT模塊技術將圍繞“芯片背面焊接固定”與“正面電極互連”兩方面改進。
IGBT的主要應用領域
作為新型功率半導體器件的主流器件，IGBT已廣泛應用于工業、4C（通信、計算機、消費電子、汽車電子）、航空航天、國防軍工等傳統產業領域，以及軌道交通、新能源、智能電網、新能源汽車等戰略性新興產業領域。
1、新能源汽車
IGBT模塊在電動汽車中發揮著至關重要的作用，是電動汽車及充電樁等設備的核心技術部件。IGBT模塊占電動汽車成本將近10％，占充電樁成本約20％。IGBT主要應用于電動汽車領域中以下幾個方面：
電動控制系統大功率直流／交流（DC／AC）逆變后驅動汽車電機。
車載空調控制系統小功率直流／交流（DC／AC）逆變，使用電流較小的IGBT和FRD。
充電樁智能充電樁中IGBT模塊被作為開關元件使用。
展開 3.3MV/cm，刷新世界紀錄！超低成本GaN基器件面世
，但是緩沖層太厚會導致外延生長時間變長，從而極大的提高外延生產成本。
北京大學的新技術有望破解這兩大瓶頸。
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技術 | 碳化硅功率器件的三大關鍵技術！
SiC功率器件的關鍵技術
碳化硅半導體功率器件的制作產業鏈涉及內容總體上分為五大塊，即襯底、外延、器件、封裝、系統應用，且產業鏈涉及較多的環節，如芯片生產制作、功能模塊設計等。相對于傳統的硅基應用技術，碳化硅半導體功率器件生產中在關鍵步驟有著較多的挑戰。
襯底和外延
襯底是功率器件的基礎，由于目前Si基功率器件生產廠商的大部分生產線支持4英寸以上的晶圓，因此4、6英寸及以上SiC襯底技術的成熟是SiC功率器件在所有重要領域大規模應用的前提條件。
SiC的單晶生長最常采用的是物理氣相傳輸法，但SiC-SiO2介面的缺陷密度高，通道電子遷移率底，導致半導體性能與可靠性下降，不能體現出SiC材料的優勢。
隨著技術的發展，通過特殊柵氧化工藝或溝槽結構等方法，已能夠生產出微管密度幾乎為零的4和6英寸晶片，8英寸晶片也正在研制中，但成本較高，目前市場上的產品仍以4英寸單晶襯底為主。
外延材料方面，SiC采用的是同質外延生長技術，設備與生長技術已比較成熟，可生長出超過100~200μm的SiC外延材料，外延生長中亟需解決的是生長缺陷問題。
功率器件
最先實現產業化的SiC二極管中成熟度最高的是SiCSBD，SBD具有PN結肖特基勢壘復合結構，可消除隧穿電流對實現最高阻斷電壓的限制，充分發揮SiC臨界擊穿電場強度高的優勢。
SiC功率模塊分為混合SiC模塊和全SiC功率模塊。
展開 
GaN新技術：單晶生長僅需1小時，位錯低于1%
6月15日，日本舉辦了一場“新技術說明會”，其中介紹了一種“高質量GaN晶體生長方法”。
據介紹，該技術有幾個關鍵好處：
? 解決溶液生長法所存在的“夾雜物”問題，可將GaN晶體位錯缺陷降低至1%以下，從而獲得高質量晶體。
? 加快晶體生長時間，1小時就可以得到高質量的氮化鎵襯底。
? 可用濺射法生產價格低廉、大尺寸GaN晶體。
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傳統生長法：
存在夾雜物、生長速度慢
目前，業界已經開發出一些GaN單晶生長技術，比如氨熱法和Na flux（鈉助溶劑）法，這2種溶液生長法都能夠將位錯密度等缺陷最小化。
以Na flux為例，在LPE生長幾百微米后，籽晶的位錯密度可以從108 cm-2數量級減少到104 cm-2數量級。
不過，溶液生長法也存在2個問題：
一是晶體中會殘留溶液成分，后期會對GaN器件造成損壞。因此，要實現高質量的GaN單晶，不僅要降低位錯缺陷，還必須克服夾雜物的問題。
另一個問題是生長速度慢。研究發現，當氮壓力增加到閾值壓力以上，以提高LPE-GaN的生長速率時，坩堝中籽晶周邊會多晶GaN，多晶生長會把氮消耗掉，從而導致外延層的生長受到抑制，生長速度降低。
而且在傳統的Na flux法中，需要數十個小時才能使 GaN生長的氮濃度達到飽和。
日本新方法：
位錯低至1%，襯底生長僅1小時
為解決上述問題，日本國立材料科學研究所、東京工業大學聯合開發了一項新技術——助溶劑膜涂層液相外延法（FFC-LPE）。
展開 光學行業FEMAG晶體生長數值模擬技術在光學行業的應用
光學行業FEMAG晶體生長數值模擬技術在光學行業的應用
1.晶體的光學應用
隨著科技的發展，光感技術，激光技術得到越來越廣泛的應用。生活水平的提高也使得人們對傳統的晶體光學折變特性提出了更高的要求，例如偏振鏡，濾光鏡等等應用場合越來越多。此外光存儲光傳輸等技術也以驚人的速度在普及。因此光學儀器和材料成為了一個非常具有前景的發展領域。
在光學領域中關鍵材料是光學晶體，按照用途可以分成光電晶體、聲光晶體、激光晶體、光折變晶體、非線性晶體等。光學晶體主要是指應用于光學回路中的晶體，如棱鏡，透鏡，濾鏡，偏光以及相位補償鏡等，在光學回路中的發射，處理和接收等多個環節都有廣泛應用。
2.光學晶體材料
光學晶體的類型很多，從材料本質上說通常是金屬鹵化物晶體，氧化物晶體等。例如常見的氟化鎂晶體用于透過紫外光，氟化鈣晶體對于紅外光有良好的透過率，此外還有半導體硅晶體，砷化鎵，CdTe，YAG，二氧化硅，藍寶石等。特別是藍寶石晶體化學性質穩定，機械強度高，抗沖擊能力強，大量用于精密測量儀器，高功率激光，導彈制導，通訊導航以及光傳感等，應用非常廣泛。
為了保證較高的光透過率，減少色散等，用作光學介質材料的晶體材料通常以單晶為主，要求盡可能少的缺陷，特別是在激光領域以及精密光感儀器和測量領域，較少的缺陷就會對光透過質量和結果產生嚴重影響。
3.FEMAG解決方案
工業上晶體的生長多采用熔體生長法，例如光學晶體中應用比較廣泛的藍寶石，砷化鎵，硅等晶體，可以通過提拉法，泡生法，坩堝下降法，區熔法等晶體生長工藝進行生產，工藝的條件控制和爐體熱場流場分析對保證晶體質量有重要作用。
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1.晶體的光學應用
隨著科技的發展，光感技術，激光技術得到越來越廣泛的應用。生活水平的提高也使得人們對傳統的晶體光學折變特性提出了更高的要求，例如偏振鏡，濾光鏡等等應用場合越來越多。此外光存儲光傳輸等技術也以驚人的速度在普及。因此光學儀器和材料成為了一個非常具有前景的發展領域。
在光學領域中關鍵材料是光學晶體，按照用途可以分成光電晶體、聲光晶體、激光晶體、光折變晶體、非線性晶體等。光學晶體主要是指應用于光學回路中的晶體，如棱鏡，透鏡，濾鏡，偏光以及相位補償鏡等，在光學回路中的發射，處理和接收等多個環節都有廣泛應用。
2.光學晶體材料
光學晶體的類型很多，從材料本質上說通常是金屬鹵化物晶體，氧化物晶體等。例如常見的氟化鎂晶體用于透過紫外光，氟化鈣晶體對于紅外光有良好的透過率，此外還有半導體硅晶體，砷化鎵，CdTe，YAG，二氧化硅，藍寶石等。特別是藍寶石晶體化學性質穩定，機械強度高，抗沖擊能力強，大量用于精密測量儀器，高功率激光，導彈制導，通訊導航以及光傳感等，應用非常廣泛。
為了保證較高的光透過率，減少色散等，用作光學介質材料的晶體材料通常以單晶為主，要求盡可能少的缺陷，特別是在激光領域以及精密光感儀器和測量領域，較少的缺陷就會對光透過質量和結果產生嚴重影響。
3.FEMAG解決方案
工業上晶體的生長多采用熔體生長法，例如光學晶體中應用比較廣泛的藍寶石，砷化鎵，硅等晶體，可以通過提拉法，泡生法，坩堝下降法，區熔法等晶體生長工藝進行生產，工藝的條件控制和爐體熱場流場分析對保證晶體質量有重要作用。
展開 一文讀懂IGBT
又因柵極為金屬鋁，所以又稱為金屬氧化物半導體場效應管，也就是MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）
IGBT發展歷史
回顧IGBT的發展歷程,其主要從三方面發展演變
器件縱向結構（非穿通型(NPT)結構→擁有緩沖層的穿通型(PT)結構→場終止型、軟穿通型結構）
柵極結構（平面柵結構→垂直于芯片表面的溝槽型結構）
硅片的加工工藝（外延生長技術→區熔硅單晶）
IGBT工作原理
IGBT的開通和關斷是由柵-射極電壓UGE控制,當UGE正向且大于開啟電壓UGE（th）時,MOSFET內部形成溝道,并為PNP晶體管提供基極電流,使得IGBT導通。在柵極加零或負電壓時,MOSFET內的溝道消失,PNP晶中的基極電流被切斷,IGBT被關斷。
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