看到一些新聞，表示某國(guó)高科技企業(yè)開(kāi)發(fā)了一種新型襯底材料，與GaN晶格匹配，可以良好生長(zhǎng)GaN。(備注：GaN體單晶制備難度非常大，因此此處所提的GaN是外延層，此處暴露了外延層存在的意義之一)。那為什么要有襯底及外延層之分呢？外延層的存在有何意義？接下來(lái)通過(guò)本文一起來(lái)探索一下~~

外延Epitaxy這個(gè)詞來(lái)源于希臘字epi，意思是"…之上" 所以常見(jiàn)的GaN on Si的表達(dá)也就很容易理解了。 外延片的名字來(lái)源 首先，先普及一個(gè)小概念：晶圓制備包括襯底制備和外延工藝兩大環(huán)節(jié)。襯底（substrate）是由半導(dǎo)體單晶材料制造而成的晶圓片，襯底可以直接進(jìn)入晶圓制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)半導(dǎo)體器件，也可以進(jìn)行外延工藝加工生產(chǎn)外延片。

外延（epitaxy）是指在經(jīng)過(guò)切、磨、拋等仔細(xì)加工的單晶襯底上生長(zhǎng)一層新單晶的過(guò)程，新單晶可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料（同質(zhì)外延或者是異質(zhì)外延）。由于新生單晶層按襯底晶相延伸生長(zhǎng)，從而被稱之為外延層（厚度通常為幾微米，以硅為例：硅外延生長(zhǎng)其意義是在具有一定晶向的硅單晶襯底上生長(zhǎng)一層具有和襯底相同晶向的電阻率與厚度不同的晶格結(jié)構(gòu)完整性好的晶體），而長(zhǎng)了外延層的襯底稱為外延片（外延片=外延層+襯底）。器件制作在外延層上為正外延，若器件制作在襯底上則稱為反外延，此時(shí)外延層只起支撐作用。 同質(zhì)外延&異質(zhì)外延

外延工藝解決了什么問(wèn)題？

只有體單晶材料難以滿足日益發(fā)展的各種半導(dǎo)體器件制作的需要。因此，1959年末開(kāi)發(fā)了薄層單晶材料生長(zhǎng)技外延生長(zhǎng)。那外延技術(shù)到底對(duì)材料的進(jìn)步有了什么具體的幫助呢？對(duì)于硅而言，硅外延生長(zhǎng)技術(shù)開(kāi)始的時(shí)候，真是硅高頻大功率晶體管制做遇見(jiàn)困難的時(shí)刻。從晶體管原理來(lái)看，要獲得高頻大功率，必須做到集電區(qū)擊穿電壓要高，串聯(lián)電阻要小，即飽和壓降要小。

前者要求集電區(qū)材料電阻率要高，而后者要求集電區(qū)材料電阻率要低，兩省互相矛盾。如果采用集電極區(qū)材料厚度減薄的方式來(lái)減少串聯(lián)電阻，會(huì)使硅片太薄易碎，無(wú)法加工，若降低材料的電阻率，又與第一個(gè)要求矛盾，而外延技術(shù)的發(fā)展則成功地解決了這一困難。

解決方案：在電阻極低的襯底上生長(zhǎng)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(dǎo)體材料的氣相外延、液相外延等外延技術(shù)也都得到很大的發(fā)展，已成為絕大多數(shù)書(shū)微波器件、光電器件、功率器件等制作不可缺少的工藝技術(shù)，特別是分子束、金屬有機(jī)氣相外延技術(shù)在薄層、超晶格、量子阱、應(yīng)變超晶格、原子級(jí)薄層外延方面的成功應(yīng)用，為半導(dǎo)體研究的新領(lǐng)域“能帶工程”的開(kāi)拓打下了夯實(shí)的基礎(chǔ)。

實(shí)際應(yīng)用中，寬禁帶半導(dǎo)體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底，因此外延層的控制可是寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)重要的一環(huán) PS：引用一下臺(tái)塑盛高科技官網(wǎng)資料總結(jié)一下，epi代表在上方，而taxy則是指規(guī)則排列，按字面意義來(lái)看，也有它叫磊晶，磊晶晶圓片早期主要用以改善雙極電晶體（Bipolartransitors）等元件的品質(zhì)，近年來(lái)也普遍被用在BipolarIC元件及MOS制程上。 外延技術(shù)的7大技能

1、可以在低（高）阻襯底上外延生長(zhǎng)高（低）阻外延層。

2、可以在P（N）型襯底上外延生長(zhǎng)N（P）型外延層，直接形成PN結(jié)，不存在用擴(kuò)散法在單晶基片上制作PN結(jié)時(shí)的補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。

3、與掩膜技術(shù)結(jié)合，在指定的區(qū)域進(jìn)行選擇外延生長(zhǎng)，為集成電路和結(jié)構(gòu)特殊的器件的制作創(chuàng)造了條件。

4、可以在外延生長(zhǎng)過(guò)程中根據(jù)需要改變摻雜的種類及濃度，濃度的變化可以是陡變的，也可以是緩變的。

5、可以生長(zhǎng)異質(zhì)，多層，多組分化合物且組分可變的超薄層。

6、可在低于材料熔點(diǎn)溫度下進(jìn)行外延生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速率可控，可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)尺寸厚度的外延生長(zhǎng)。

7、可以生長(zhǎng)不能拉制單晶材料，如GaN，三、四元系化合物的單晶層等。 各種外延層及外延工藝

一言以蔽之，外延層比襯底材料更易于獲得完美可控的晶體結(jié)構(gòu)，更利于材料的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：科普 | 半導(dǎo)體器件為什么需要“外延層”

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