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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(huì)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(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)。

一、半導(dǎo)體襯底的簡(jiǎn)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(guò)高度純化和晶體生長(zhǎng)技術(shù)制成的單晶或多晶材料。襯底晶片通常是薄而堅(jiān)固的片狀結(jié)構(gòu)，其上會(huì)進(jìn)行各種半導(dǎo)體器件和電路的制造過(guò)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(guò)高度純凈和精確加工后，成為承載電子元件的基礎(chǔ)平臺(tái)。

半導(dǎo)體襯底在半導(dǎo)體制造過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，主要包括以下幾個(gè)方面：

1、支撐

襯底為幾微米甚至若干納米厚的膜提供堅(jiān)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(shí)現(xiàn)器件的功能。

3、生長(zhǎng)

有些薄膜必須在合適的襯底上才能生長(zhǎng)出所需的材料，涉及到晶格結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。

襯底的制作過(guò)程包括高度純化、晶體生長(zhǎng)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(jī)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(duì)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(jiǎn)介

半導(dǎo)體外延（epitaxy）是指在硅片襯底上生長(zhǎng)出單晶薄膜的過(guò)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(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)出外延層。

2、固相外延（SPE）

通過(guò)固態(tài)反應(yīng)在襯底上生長(zhǎng)外延層。

3、液相外延（LPE）

通過(guò)液態(tài)反應(yīng)在襯底上生長(zhǎng)外延層。

4、分子束外延（MBE）

通過(guò)將純?cè)踊蚍肿邮舭l(fā)沉積在襯底上生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)不同材料的外延層，以實(shí)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(guò)上面對(duì)半導(dǎo)體襯底和外延的介紹后，我們?cè)賮?lái)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(jī)械支撐、電氣連接等重要功能。它是整個(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(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。而外延卻是要通過(guò)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(zhǎng)一層新單晶。

5、應(yīng)用場(chǎng)景不同

襯底一般是選擇合適的襯底材料對(duì)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(jià)比高、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(guò)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(zhǎng)特定薄膜以優(yōu)化器件性能。它們?cè)诓牧?、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(jì)和制造中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

對(duì)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(wú)法實(shí)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(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)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)。

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(xiàng)電學(xué)性能。高電壓應(yīng)用的碳化硅器件對(duì)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(shuō)的話

當(dāng)前，碳化硅外延技術(shù)對(duì)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