為了滿足不斷增長的半導體和電子器件的性能需求，外延技術正逐漸發展并成為當下優化器件性能的一大關鍵技術。外延生長是一種生長單晶薄膜的有效方法，是在單晶襯底上生長一層與襯底晶向相同或相近的單晶層。根據外延層與襯底材料的關系可以分為同質外延和異質外延，同質外延顧名思義是外延層與襯底為同一種材料，而異質外延則是兩者為不同的材料。下面，小編將為大家介紹同質外延技術和異質外延技術。

(圖源:中關村天合寬禁帶半導體技術創新聯盟)

同質外延技術

同質外延技術是指在相同的半導體材料或具有相同晶體結構的襯底上生長外延層的過程。因為外延層和襯底是同一種材料，所以它們之間的晶格常數匹配，不需要考慮晶格失配問題，生長過程也比較簡單，在生長結束后通常可以獲得更好的電子性能，常應用于需要高質量單晶層的情況，如高性能集成電路、太陽能電池。相較單晶襯底，外延的單晶薄膜在表面質量、電學性能上會有比較明顯的改善，可以較為容易的制造大面積或特殊材料的單晶薄膜。目前常使用的同質外延方法包括分子束外延（MBE）、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）和化學氣相沉積（CVD）。在同質外延過程中必須嚴格控制外延層的純凈度和晶體質量，因為擁有純凈的外延層就可以提升載流子遷移率，提高器件的導電性能；而擁有高質量的晶體結構就可以減少位錯、裂紋和其他可能導致器件性能退化的缺陷出現，提升器件的可靠性和壽命，能夠更好的承受熱循環和機械應力。

不同基片臺上單晶金剛石的生長示意圖（圖源：文獻1）

*分子束外延（MBE）：是在超高真空環境下，以極慢的沉積速率沿襯底面外方向生長薄膜的一種方法。優點：所需襯底溫度低；薄膜厚度、組分和摻雜濃度可控；薄膜的結晶質量高，內部存在的雜質和缺陷濃度低。

*金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）：是一種通過金屬有機化合物進行熱分解的同時，與工作氣體在反應室內發生化學反應進而沉積在一定溫度的基片上形成薄膜的方法。優點：薄膜厚度、摻雜濃度和外延層組分等參數可控；生產成本比較低，適合大規模的工業生產；沉積過程中的污染問題較少，能夠有效提升薄膜的結晶質量；能夠減少沉積過程中的過渡效應和存儲效應，實現單原子層的界面突變，用來制備量子阱或超晶格等一些界面突變的結構。

*化學氣相沉積（CVD）：是將含有最終所需產物元素的氣態反應劑或液態反應劑的蒸汽及反應所需其它氣體引入一個受到外界能量激活的環境中，發生化學反應，進而生成所需的穩定的固體產物沉積在特殊處理過的固體表面的一種技術。優點：可以在較短時間內形成；在一個反應爐內同時放置許多工件；工件表面即使形狀復雜帶有深孔、細孔，均不會影響覆膜效果；附著性能好，薄膜結構致密，結晶程度良好。

異質外延技術

異質外延技術是在不同結構襯底上生長出晶體層的技術，使用該技術可以根據不同材料的特性，制造出具有新性能或優化性能的半導體器件，為器件的多樣化設計提供了可能。因為外延層和襯底材料不同，所以兩者的晶格常數不同，容易因此導致晶格失配，晶格失配度越大，外延層的臨界厚度就會越薄，極易在界面處產生高密度的位錯和缺陷，進而影響器件性能。其次，外延層和襯底材料的熱膨脹系數不同，會在溫度變化時導致應力和應變，影響器件的性能和可靠性。再者，由于外延層和襯底材料不同，可能會在一定條件下發生化學反應，從而影響外延層的質量，導致器件的電學性能和光學性能受到影響。異質外延的工藝流程比同質外延更為復雜，需要更精細的設備控制和參數優化，因此成本會因所需的條件、設備等出現漲幅。當前主要的異質外延方法包括化學氣相沉積（CVD）、分子束外延（MBE）和液相外延（LPE）。其中，化學氣相沉積因生長速率快、可精確控制摻雜濃度及厚度等優點，成為異質外延的主流技術。異質外延技術的工藝流程通常包括以下幾個步驟：

（1）襯底選擇：根據所需器件的性能選擇適當的襯底材料，使用化學溶劑、超聲波、等離子體等方法徹底清洗襯底表面，去除有機物、顆粒和氧化物，再通過機械或化學方法對襯底表面進行拋光，以確保表面光滑、無缺陷，最后依據需求將襯底進行切割。

（2）生長參數設定：根據目標材料的特性和器件要求，設定生長溫度、壓力、氣體流量等關鍵參數。

（3）外延生長：在設定的條件下，通過CVD、MBE或LPE等技術，在襯底上生長出目標材料的薄膜。一般會在襯底和外延層之間生長一層或多層緩沖層，以緩解晶格失配和熱膨脹不匹配的情況。

（4）外延層后處理：對外延層進行退火以減少缺陷和應力，再通過表面清洗，去除生長過程中可能形成的污染物和殘留物，以改善晶體質量和表面形貌。

（5）表征與測試：使用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等手段，對外延層進行表征和測試，確保其滿足器件性能要求。

（6）器件加工：在完成表征和測試后，通過光刻、蝕刻、摻雜和沉積對器件進行加工，以形成器件的結構、調整其電學特性。

（7）測試、封裝：對完成的器件進行熱循環、濕度、機械應力等測試，以評估其電學性能，確保可靠性。最后在合適的環境中完成封裝，保護其免受外界的影響。

在硅襯底上用MBE方法生長CoSi₂示意圖（圖源：文獻2）

*液相外延（LPE）：是以待生長的薄膜材料作為溶質，以熔點較低的金屬作為溶劑，將溶質不斷的溶入溶劑中，直至達到飽和狀態，通過降溫使溶液達到過飽和狀態，此時溶質會析出并沉積到單晶襯底上，最終得到一層與單晶襯底取向一致的薄膜材料。優點：生長的薄膜結晶質量好；一次性可以進行數百塊襯底生長；生長設備較為簡單，成本低。

近年來，隨著新材料體系的發現和應用，外延技術已經擴展到非常多的材料中以滿足不同應用的需求。在未來，外延技術將朝著更高的生長精度發展，以制造更復雜、性能更優的器件，實現不同材料體系之間的集成，為開發多功能、高性能的集成系統作出貢獻。

參考文獻：

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