【博主簡介】本人“愛在七夕時”，系一名半導體行業質量管理從業者，旨在業余時間不定期的分享半導體行業中的：產品質量、失效分析、可靠性分析和產品基礎應用等相關知識。常言：真知不問出處，所分享的內容如有雷同或是不當之處，還請大家海涵。當前在各網絡平臺上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學習！

在半導體產業鏈中，特別是第三代半導體（寬禁帶半導體）產業鏈中，會有襯底及外延層之分，那外延層的存在有何意義？和襯底的區別是什么呢？

首先，先普及一個小概念：晶圓制備包括襯底制備和外延工藝兩大環節。

一、半導體襯底的簡介

半導體襯底（substrate）是指 用于半導體器件制造的基礎材料 ，通常是經過高度純化和晶體生長技術制成的單晶或多晶材料。襯底晶片通常是薄而堅固的片狀結構，其上會進行各種半導體器件和電路的制造過程。襯底的純度和質量直接影響到最終半導體器件的性能和可靠性。

常用的半導體襯底材料包括硅（Si）、砷化鎵（GaAs）、藍寶石和碳化硅（SiC）等。這些材料經過高度純凈和精確加工后，成為承載電子元件的基礎平臺。

半導體襯底在半導體制造過程中起著至關重要的作用，主要包括以下幾個方面：

1、支撐

襯底為幾微米甚至若干納米厚的膜提供堅固的支撐，防止其斷裂或破壞。

2、導電

很多襯底本身也是半導體材料，如硅，能夠與功能材料形成異質結，從而實現器件的功能。

3、生長

有些薄膜必須在合適的襯底上才能生長出所需的材料，涉及到晶格結構等問題。

襯底的制作過程包括高度純化、晶體生長和精確加工等步驟，以確保其具有高度一致性和優良的電學、光學和機械特性。

綜上所述，半導體襯底是半導體器件制造的基礎，其純度和質量對最終器件的性能和可靠性有著重要影響。

二、半導體外延的簡介

半導體外延（epitaxy）是指在硅片襯底上生長出單晶薄膜的過程 。外延層與襯底具有相同的晶向，可以采用相同（同質外延）或不同（異質外延）的材料進行制作。外延技術主要應用于半導體與碳化硅、氮化鎵等領域。與傳統硅器件不同，碳化硅器件不能直接制作在襯底上，需要在襯底上生長一層晶相同、質量更高的單晶薄膜（外延層），再制作器件。

外延工藝主要包括以下幾種：

1、氣相外延（VPE）

含外延層材料的物質以氣相形式在襯底上發生化學反應，從而生長出外延層。

2、固相外延（SPE）

通過固態反應在襯底上生長外延層。

3、液相外延（LPE）

通過液態反應在襯底上生長外延層。

4、分子束外延（MBE）

通過將純原子或分子束蒸發沉積在襯底上生長外延層。

外延技術在現代集成電路制造中應用十分廣泛，例如在硅片制造中為了提高硅片的品質，通常在硅片上外延一層純凈度更高的本征硅，或者在高攙雜硅襯底上生長外延層以防止器件的閂鎖（latch up）效應。此外，外延技術還可以用于在襯底上生長不同材料的外延層，以實現特定的器件性能優化。

三、半導體襯底和外延的區別

通過上面對半導體襯底和外延的介紹后，我們再來看看它們之間存在一些怎樣較為明顯的區別：

1、作用不同

襯底通常起支撐作用，并為半導體器件提供機械支撐、電氣連接等重要功能。它是整個器件的基礎，決定了器件的基本結構和性能。而外延卻是為器件所需的特定薄膜，可以在襯底上生長一層新單晶，用于更改原有的晶體性質，如摻雜濃度等，從而優化器件的性能和控制器件特性。

2、制成材料不同

襯底是由半導體單晶材料制造而成，如單晶硅、藍寶石或石英等。而外延則是可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料，包括同質外延（與襯底材料相同）和異質外延（與襯底材料不同）。

3、晶體結構不同

襯底作為晶體生長的基礎，具有高度一致的晶體結構和純度。而外延是在襯底上沉積的一層薄膜，具有與襯底相同的晶格結構，但可以實現更高質量的晶體結構和純度。

4、制造工藝不同

襯底是可以直接進入晶圓制造環節生產半導體器件，也可以進行外延工藝加工生產外延片。而外延卻是要通過化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）和分子束外延（MBE）等技術在襯底上生長一層新單晶。

5、應用場景不同

襯底一般是選擇合適的襯底材料對器件的性能和可靠性有著決定性的影響，如硅基襯底因其性價比高、機械性能好等優點而被廣泛使用。而外延是用于改變外延層的材料屬性，提供器件的多層結構，以及實現特定的電性和光學性質，如光電器件中的光吸收和電荷傳輸效率。

所以襯底和外延在半導體制造過程中起著不同的作用，襯底主要提供支撐和基礎結構，而外延則用于生長特定薄膜以優化器件性能。它們在材料、結構和制造工藝上都有明顯的區別，并且各自在器件設計和制造中發揮著關鍵作用。

對于傳統的硅半導體產業鏈而言，在硅片上制作器件（特別是高頻大功率）無法實現集電區高擊穿電壓，小串聯電阻，小飽和壓降要小的要求。而外延技術的發展則成功地解決了這一困難。解決方案：在電阻極低的硅襯底上生長一層高電阻率外延層，器件制作在外延層上，這樣高電阻率的外延層保證了管子有高的擊穿電壓，而低電阻的襯底又降低了基片的電阻，從而降低了飽和壓降，從而解決了二者的矛盾。

此外，GaAs等Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族以及其他分子化合物半導體材料的氣相外延、液相外延等外延技術也都得到很大的發展，已成為絕大多數微波器件、光電器件、功率器件等制作不可缺少的工藝技術，特別是分子束、金屬有機氣相外延技術在薄層、超晶格、量子阱、應變超晶格、原子級薄層外延方面的成功應用，為半導體研究的新領域“能帶工程”的開拓打下了夯實的基礎。

就第三代半導體器件而言，這類半導體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底。SiC外延材料的厚度、背景載流子濃度等參數直接決定著SiC器件的各項電學性能。高電壓應用的碳化硅器件對于外延材料的厚度、背景載流子濃度等參數提出新的要求。

最后想說的話

當前，碳化硅外延技術對于碳化硅器件性能的充分發揮具有決定性的作用，幾乎所有SiC功率器件的制備均是基于高質量SiC外延片，外延層的制作是寬禁帶半導體產業重要的一環。

免責聲明

【我們尊重原創，也注重分享。文中的文字、圖片版權歸原作者所有，轉載目的在于分享更多信息，不代表本號立場，如有侵犯您的權益請及時私信聯系，我們將第一時間跟蹤核實并作處理，謝謝！】

審核編輯 黃宇