半導(dǎo)體器件外延層的存在有何意義

看到一些新聞，表示某國高科技企業(yè)開發(fā)了一種新型襯底材料，與GaN晶格匹配，可以良好生長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？接下來通過本文一起來探索一下~~

外延Epitaxy這個詞來源于希臘字epi，意思是"…之上" 所以常見的GaN on Si的表達(dá)也就很容易理解了。 外延片的名字來源 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)。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)過切、磨、拋等仔細(xì)加工的單晶襯底上生長一層新單晶的過程，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，從而被稱之為外延層（厚度通常為幾微米，以硅為例：硅外延生長其意義是在具有一定晶向的硅單晶襯底上生長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年末開發(fā)了薄層單晶材料生長技外延生長。那外延技術(shù)到底對材料的進(jìn)步有了什么具體的幫助呢？對于硅而言，硅外延生長技術(shù)開始的時(shí)候，真是硅高頻大功率晶體管制做遇見困難的時(shí)刻。從晶體管原理來看，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減少串聯(lián)電阻，會使硅片太薄易碎，無法加工，若降低材料的電阻率，又與第一個要求矛盾，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(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）阻襯底上外延生長高（低）阻外延層。

2、可以在P（N）型襯底上外延生長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)膯栴}。

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，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、可以在外延生長過程中根據(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，生長速率可控，可以實(shí)現(xiàn)原子級尺寸厚度的外延生長。

7、可以生長不能拉制單晶材料，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)用開發(fā)。

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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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