[初探半导体产业]“外延”之于“衬底”的意义

在半导体产业链中，特别是第三代半导体（宽禁带半导体）产业链中，会出现“衬底”及“外延层”这两个词，在衬底上生长的外延层的有何意义？和衬底的区别是什么呢？

首先，晶圆制备包括衬底制备和外延工艺两大环节。衬底（substrate）是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片，有硅、碳化硅、蓝宝石、氮化硅等材料，衬底可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件，也可以进行外延工艺加工生产外延片。外延（epitaxy）是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底上生长一层新单晶的过程，新单晶可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料（同质外延或者是异质外延）。由于新生单晶层按衬底晶相延伸生长，从而被称之为外延层（厚度通常为几微米），而长了外延层的衬底称为外延片（外延片=外延层+衬底）。器件制作在外延层上展开。

对于传统的硅半导体产业链而言，在硅片上制作器件（特别是高频大功率）无法实现集电区高击穿电压，小串联电阻，小饱和压降要小的要求。而外延技术的发展则成功地解决了这一困难。解决方案是在电阻极低的硅衬底上生长一层高电阻率外延层，器件制作在外延层上，这样高电阻率的外延层保证了管子有高的击穿电压。此外，GaAs等Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族以及其他分子化合物半导体材料的气相外延、液相外延等外延技术也都得到很大的发展，出现了分子束、金属有机气相外延技术。

就第三代半导体器件而言，这类半导体器件几乎都做在外延层上，碳化硅晶片本身只作为衬底。SiC外延材料的厚度、背景载流子浓度等参数直接决定着SiC器件的各项电学性能。因此，碳化硅外延技术对于碳化硅器件性能的充分发挥具有决定性的作用，是宽禁带半导体产业重要的一环。

【更新1】“同质外延的意义是什么？”

有粉丝问到，外延分为同质外延和异质外延，其中同质外延是在衬底上生长与衬底相同材料的外延层，同质外延的意义在哪儿？比如SiC衬底，外延SiC，这个跟直接在SiC晶圆上制作有什么区别吗？

这里统一回答下——提高产品稳定性和可靠性。虽然同质外延是生长与衬底相同材料的外延层，虽然材料相同，但可以提升晶圆表面的材料纯度和均匀度，通过外延处理的衬底，相比于机械抛光的抛光片，其表面平整度高、洁净度高、微缺陷少、表面杂质少，因此电阻率更加均匀，对于表面颗粒、层错、位错等缺陷也更容易控制。外延不仅仅提高了产品的性能，也能保证产品的稳定性和可靠性。

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