[初探半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)]“外延”之于“襯底”的意義

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，會出現(xiàn)“襯底”及“外延層”這兩個詞，在襯底上生長的外延層的有何意義？和襯底的區(qū)別是什么呢？

首先，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，有硅、碳化硅、藍(lán)寶石、氮化硅等材料，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），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展開。

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(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。解決方案是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。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，出現(xiàn)了分子束、金屬有機(jī)氣相外延技術(shù)。

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。因此，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，是寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)重要的一環(huán)。

【更新1】“同質(zhì)外延的意義是什么？”

有粉絲問到，外延分為同質(zhì)外延和異質(zhì)外延，其中同質(zhì)外延是在襯底上生長與襯底相同材料的外延層，同質(zhì)外延的意義在哪兒？比如SiC襯底，外延SiC，這個跟直接在SiC晶圓上制作有什么區(qū)別嗎？

這里統(tǒng)一回答下——提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性。雖然同質(zhì)外延是生長與襯底相同材料的外延層，雖然材料相同，但可以提升晶圓表面的材料純度和均勻度，通過外延處理的襯底，相比于機(jī)械拋光的拋光片，其表面平整度高、潔凈度高、微缺陷少、表面雜質(zhì)少，因此電阻率更加均勻，對于表面顆粒、層錯、位錯等缺陷也更容易控制。外延不僅僅提高了產(chǎn)品的性能，也能保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。

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