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在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，特別是第三代半導(dǎo)體（寬禁帶半導(dǎo)體）產(chǎn)業(yè)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(qū)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(huán)節(jié)。

一、半導(dǎo)體襯底的簡介

半導(dǎo)體襯底（substrate）是指 用于半導(dǎo)體器件制造的基礎(chǔ)材料 ，通常是經(jīng)過高度純化和晶體生長技術(shù)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(jié)構(gòu)，其上會進行各種半導(dǎo)體器件和電路的制造過程。襯底的純度和質(zhì)量直接影響到最終半導(dǎo)體器件的性能和可靠性。

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

半導(dǎo)體襯底在半導(dǎo)體制造過程中起著至關(guān)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(dǎo)電

很多襯底本身也是半導(dǎo)體材料，如硅，能夠與功能材料形成異質(zhì)結(jié)，從而實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(yōu)良的電學(xué)、光學(xué)和機械特性。

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

二、半導(dǎo)體外延的簡介

半導(dǎo)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(zhì)外延）或不同（異質(zhì)外延）的材料進行制作。外延技術(shù)主要應(yīng)用于半導(dǎo)體與碳化硅、氮化鎵等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)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(zhì)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(zhì)以氣相形式在襯底上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生長出外延層。

2、固相外延（SPE）

通過固態(tài)反應(yīng)在襯底上生長外延層。

3、液相外延（LPE）

通過液態(tài)反應(yīng)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(fā)沉積在襯底上生長外延層。

外延技術(shù)在現(xiàn)代集成電路制造中應(yīng)用十分廣泛，例如在硅片制造中為了提高硅片的品質(zhì)，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(yīng)。此外，外延技術(shù)還可以用于在襯底上生長不同材料的外延層，以實現(xiàn)特定的器件性能優(yōu)化。

三、半導(dǎo)體襯底和外延的區(qū)別

通過上面對半導(dǎo)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(qū)別：

1、作用不同

襯底通常起支撐作用，并為半導(dǎo)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(chǔ)，決定了器件的基本結(jié)構(gòu)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(zhì)，如摻雜濃度等，從而優(yōu)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(dǎo)體單晶材料制造而成，如單晶硅、藍(lán)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(zhì)外延（與襯底材料相同）和異質(zhì)外延（與襯底材料不同）。

3、晶體結(jié)構(gòu)不同

襯底作為晶體生長的基礎(chǔ)，具有高度一致的晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，但可以實現(xiàn)更高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)和純度。

4、制造工藝不同

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

5、應(yīng)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(yōu)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(jié)構(gòu)，以及實現(xiàn)特定的電性和光學(xué)性質(zhì)，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(dǎo)體制造過程中起著不同的作用，襯底主要提供支撐和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，而外延則用于生長特定薄膜以優(yōu)化器件性能。它們在材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝上都有明顯的區(qū)別，并且各自在器件設(shè)計和制造中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

對于傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈而言，在硅片上制作器件（特別是高頻大功率）無法實現(xiàn)集電區(qū)高擊穿電壓，小串聯(lián)電阻，小飽和壓降要小的要求。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(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)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”的開拓打下了夯實的基礎(chǔ)。

就第三代半導(dǎo)體器件而言，這類半導(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。SiC外延材料的厚度、背景載流子濃度等參數(shù)直接決定著SiC器件的各項電學(xué)性能。高電壓應(yīng)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(shù)提出新的要求。

最后想說的話

當(dāng)前，碳化硅外延技術(shù)對于碳化硅器件性能的充分發(fā)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(zhì)量SiC外延片，外延層的制作是寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)重要的一環(huán)。

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審核編輯 黃宇