半導體襯底和外延有什么區別？

硅外延層和襯底是半導體制造過程中的兩個重要組成部分。襯底是半導體芯片制造的基礎，主要由單晶硅材料制成。硅外延層是在襯底上加工生長的一層硅材料，其材料特性與襯底相同。二者在成份、結構和性質上都有所不同。

一、襯底

襯底（substrate）是由半導體單晶材料制造而成的晶圓片，襯底可以直接進入晶圓制造環節生產半導體器件，也可以進行外延工藝加工生產外延片。襯底是晶圓（把晶圓切開，就可以得到一個個的die，再封裝好就成為傳說中的芯片）最底下（其實芯片的最底部一般還會鍍上一層背金，用做“地”連通，但是是在后道工序中制作的），承載整個支撐作用的底座（芯片里的摩天大樓就是建立在襯底之上的）。 如果把集成電路比喻成蓋房子，那么襯底就是地基。由于要起到支撐作用。這些材料在晶體結構上，需要具有高度的一致性（比如高純度的單晶硅。只有地基穩固了，才能保證上面蓋好房子）。

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二、外延

外延（epitaxy）是指在經過切、磨、拋等仔細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（同質外延或者是異質外延）。 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構完整性好的晶體），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展開。

外延片是很有價值的。比如，它通過在便宜的硅片上生長一層薄薄的GaN外延，這樣用成熟（便宜）的第一代半導體材料做襯底，來(部分)實現第三代半導體（非常貴）寬禁帶的特性，可謂是相當劃算。但是像這種異質外延的結構，也存在很多問題，比如晶格失配（可以理解為把腳手架搭在塑料地基上）、溫度系數不一致（熱脹冷縮，溫度變化時，不同材質肯定存在問題）、熱傳導不良（Si的導熱性很差的）等等。

外延分為同質外延和異質外延，其中同質外延是在襯底上生長與襯底相同材料的外延層，同質外延的意義在哪兒？——提高產品穩定性和可靠性。雖然同質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品的性能，也能保證產品的穩定性和可靠性。

我們通常所說的第一、二、三、四代半導體，就是根據襯底或外延的材質來劃分的。就是說，只要你用到了新一代的材料，不管是襯底還是外延，就都可以自稱是新一代的半導體。比如說，你用單晶硅做襯底，然后在上面生長GaN外延，因為用到的材料里有GaN，所以硅基GaN也算是第三代半導體。

審核編輯：黃飛

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