半导体“衬底”和“外延”区别的详解；

【博主简介】本人“爱在七夕时”，系一名半导体行业质量管理从业者，旨在业余时间不定期的分享半导体行业中的：产品质量、失效分析、可靠性分析和产品基础应用等相关知识。常言：真知不问出处，所分享的内容如有雷同或是不当之处，还请大家海涵。当前在各网络平台上均以此昵称为ID跟大家一起交流学习！

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，会有衬底及外延层之分，那外延层的存在有何意义？和衬底的区别是什么呢？

首先，先普及一个小概念：晶圆制备包括衬底制备和外延工艺两大环节。

一、半导体衬底的简介

半导体衬底（substrate）是指 用于半导体器件制造的基础材料 ，通常是经过高度纯化和晶体生长技术制成的单晶或多晶材料。衬底晶片通常是薄而坚固的片状结构，其上会进行各种半导体器件和电路的制造过程。衬底的纯度和质量直接影响到最终半导体器件的性能和可靠性。

常用的半导体衬底材料包括硅（Si）、砷化镓（GaAs）、蓝宝石和碳化硅（SiC）等。这些材料经过高度纯净和精确加工后，成为承载电子元件的基础平台。

半导体衬底在半导体制造过程中起着至关重要的作用，主要包括以下几个方面：

1、支撑

衬底为几微米甚至若干纳米厚的膜提供坚固的支撑，防止其断裂或破坏。

2、导电

很多衬底本身也是半导体材料，如硅，能够与功能材料形成异质结，从而实现器件的功能。

3、生长

有些薄膜必须在合适的衬底上才能生长出所需的材料，涉及到晶格结构等问题。

衬底的制作过程包括高度纯化、晶体生长和精确加工等步骤，以确保其具有高度一致性和优良的电学、光学和机械特性。

综上所述，半导体衬底是半导体器件制造的基础，其纯度和质量对最终器件的性能和可靠性有着重要影响。

二、半导体外延的简介

半导体外延（epitaxy）是指在硅片衬底上生长出单晶薄膜的过程 。外延层与衬底具有相同的晶向，可以采用相同（同质外延）或不同（异质外延）的材料进行制作。外延技术主要应用于半导体与碳化硅、氮化镓等领域。与传统硅器件不同，碳化硅器件不能直接制作在衬底上，需要在衬底上生长一层晶相同、质量更高的单晶薄膜（外延层），再制作器件。

外延工艺主要包括以下几种：

1、气相外延（VPE）

含外延层材料的物质以气相形式在衬底上发生化学反应，从而生长出外延层。

2、固相外延（SPE）

通过固态反应在衬底上生长外延层。

3、液相外延（LPE）

通过液态反应在衬底上生长外延层。

4、分子束外延（MBE）

通过将纯原子或分子束蒸发沉积在衬底上生长外延层。

外延技术在现代集成电路制造中应用十分广泛，例如在硅片制造中为了提高硅片的品质，通常在硅片上外延一层纯净度更高的本征硅，或者在高搀杂硅衬底上生长外延层以防止器件的闩锁（latch up）效应。此外，外延技术还可以用于在衬底上生长不同材料的外延层，以实现特定的器件性能优化。

三、半导体衬底和外延的区别

通过上面对半导体衬底和外延的介绍后，我们再来看看它们之间存在一些怎样较为明显的区别：

1、作用不同

衬底通常起支撑作用，并为半导体器件提供机械支撑、电气连接等重要功能。它是整个器件的基础，决定了器件的基本结构和性能。而外延却是为器件所需的特定薄膜，可以在衬底上生长一层新单晶，用于更改原有的晶体性质，如掺杂浓度等，从而优化器件的性能和控制器件特性。

2、制成材料不同

衬底是由半导体单晶材料制造而成，如单晶硅、蓝宝石或石英等。而外延则是可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料，包括同质外延（与衬底材料相同）和异质外延（与衬底材料不同）。

3、晶体结构不同

衬底作为晶体生长的基础，具有高度一致的晶体结构和纯度。而外延是在衬底上沉积的一层薄膜，具有与衬底相同的晶格结构，但可以实现更高质量的晶体结构和纯度。

4、制造工艺不同

衬底是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。而外延却是要通过化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和分子束外延（MBE）等技术在衬底上生长一层新单晶。

5、应用场景不同

衬底一般是选择合适的衬底材料对器件的性能和可靠性有着决定性的影响，如硅基衬底因其性价比高、机械性能好等优点而被广泛使用。而外延是用于改变外延层的材料属性，提供器件的多层结构，以及实现特定的电性和光学性质，如光电器件中的光吸收和电荷传输效率。

所以衬底和外延在半导体制造过程中起着不同的作用，衬底主要提供支撑和基础结构，而外延则用于生长特定薄膜以优化器件性能。它们在材料、结构和制造工艺上都有明显的区别，并且各自在器件设计和制造中发挥着关键作用。

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：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，而低电阻的衬底又降低了基片的电阻，从而降低了饱和压降，从而解决了二者的矛盾。

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，已成为绝大多数微波器件、光电器件、功率器件等制作不可缺少的工艺技术，特别是分子束、金属有机气相外延技术在薄层、超晶格、量子阱、应变超晶格、原子级薄层外延方面的成功应用，为半导体研究的新领域“能带工程”的开拓打下了夯实的基础。

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。高电压应用的碳化硅器件对于外延材料的厚度、背景载流子浓度等参数提出新的要求。

最后想说的话

当前，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，几乎所有SiC功率器件的制备均是基于高质量SiC外延片，外延层的制作是宽禁带半导体产业重要的一环。

免责声明

【我们尊重原创，也注重分享。文中的文字、图片版权归原作者所有，转载目的在于分享更多信息，不代表本号立场，如有侵犯您的权益请及时私信联系，我们将第一时间跟踪核实并作处理，谢谢！】

审核编辑 黄宇