国际首次！超厚碳化硅外延材料成功研制！

近日，浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院传来新进展。皮孝东教授、王蓉研究员团队成功制备出厚度超过300微米的超厚碳化硅外延材料，实现了国际上首次300微米级超厚碳化硅外延薄膜的稳定生长，为超高压碳化硅功率器件的发展提供了关键材料支撑。

相比传统硅材料，碳化硅具备更高击穿电场、更高热导率和更强耐高温能力，近年来已广泛应用于新能源汽车、光伏逆变器、储能等领域。目前主流碳化硅功率器件耐压等级大多集中在3300伏以内，对应外延层厚度约30微米即可满足需求。但随着智能电网、高铁、大型船舶等高压场景快速发展，器件耐压正向10千伏乃至30千伏级迈进，这也对碳化硅外延层厚度提出更高要求。

研究团队介绍，若要实现3万伏级器件，外延层厚度需要提升至300微米以上，相比现有主流产品增厚超过10倍。然而，随着外延层持续增厚，材料内部应力和缺陷会快速累积，生长难度呈几何级增加。为解决这一问题，团队围绕设备设计、生长工艺及缺陷控制开展系统攻关，最终成功制备出厚度达312微米的碳化硅外延片，同时将表面致命缺陷密度控制在0.75个/平方厘米。相关成果已在2025年国际碳化硅及相关材料会议（ICSCRM 2025）上公开报道。

在超厚外延材料制备过程中，团队还重点解决了“肖克利型层错”这一关键缺陷问题。该缺陷在高压、高温工作环境下会逐渐扩展，影响器件长期可靠性。研究人员从能带结构出发，揭示了缺陷在电场中的扩展机制，并提出一种基于低功率紫外光与高温协同处理的后处理方案。通过紫外光扫描，可促使缺陷内部电子迁移，使层错逐渐收缩直至消失。实验结果显示，该方法可实现440兆帕应力条件下诱发层错的100%消除。相关成果已发表于《Science China Physics, Mechanics & Astronomy》。

此次突破的重要意义，在于为30千伏级以上碳化硅功率器件打开了产业化空间。当前，我国新型智能电网配电网电压等级已达到1万至3.5万伏，高铁接触网电压约2.75万伏，大型全电推进船舶的直流电网同样需要更高耐压器件支持。采用超厚碳化硅外延材料后，可有效降低系统开关损耗，提升能源利用效率，同时减小设备体积与重量。

除了高压功率电子领域，300微米级碳化硅材料还可满足量子信息、辐射探测等方向对高品质厚膜材料的需求，在高能粒子探测、空间辐射监测等领域也具有应用潜力。

据了解，浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院长期围绕碳化硅材料生长、应力调控、杂质与缺陷机理等方向开展研究。近三年来，团队在碳化硅领域已形成较强学术影响力，累计获得授权发明专利70余项，其中11项已实现技术转让或许可，相关成果正加速推进产业化落地。