为了满足不断增长的半导体和电子器件的性能需求，外延技术正逐渐发展并成为当下优化器件性能的一大关键技术。外延生长是一种生长单晶薄膜的有效方法，是在单晶衬底上生长一层与衬底晶向相同或相近的单晶层。根据外延层与衬底材料的关系可以分为同质外延和异质外延，同质外延顾名思义是外延层与衬底为同一种材料，而异质外延则是两者为不同的材料。下面，小编将为大家介绍同质外延技术和异质外延技术。

(图源:中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟)

同质外延技术

同质外延技术是指在相同的半导体材料或具有相同晶体结构的衬底上生长外延层的过程。因为外延层和衬底是同一种材料，所以它们之间的晶格常数匹配，不需要考虑晶格失配问题，生长过程也比较简单，在生长结束后通常可以获得更好的电子性能，常应用于需要高质量单晶层的情况，如高性能集成电路、太阳能电池。相较单晶衬底，外延的单晶薄膜在表面质量、电学性能上会有比较明显的改善，可以较为容易的制造大面积或特殊材料的单晶薄膜。目前常使用的同质外延方法包括分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）和化学气相沉积（CVD）。在同质外延过程中必须严格控制外延层的纯净度和晶体质量，因为拥有纯净的外延层就可以提升载流子迁移率，提高器件的导电性能；而拥有高质量的晶体结构就可以减少位错、裂纹和其他可能导致器件性能退化的缺陷出现，提升器件的可靠性和寿命，能够更好的承受热循环和机械应力。

不同基片台上单晶金刚石的生长示意图（图源：文献1）

*分子束外延（MBE）：是在超高真空环境下，以极慢的沉积速率沿衬底面外方向生长薄膜的一种方法。优点：所需衬底温度低；薄膜厚度、组分和掺杂浓度可控；薄膜的结晶质量高，内部存在的杂质和缺陷浓度低。

*金属有机化学气相沉积（MOCVD）：是一种通过金属有机化合物进行热分解的同时，与工作气体在反应室内发生化学反应进而沉积在一定温度的基片上形成薄膜的方法。优点：薄膜厚度、掺杂浓度和外延层组分等参数可控；生产成本比较低，适合大规模的工业生产；沉积过程中的污染问题较少，能够有效提升薄膜的结晶质量；能够减少沉积过程中的过渡效应和存储效应，实现单原子层的界面突变，用来制备量子阱或超晶格等一些界面突变的结构。

*化学气相沉积（CVD）：是将含有最终所需产物元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸汽及反应所需其它气体引入一个受到外界能量激活的环境中，发生化学反应，进而生成所需的稳定的固体产物沉积在特殊处理过的固体表面的一种技术。优点：可以在较短时间内形成；在一个反应炉内同时放置许多工件；工件表面即使形状复杂带有深孔、细孔，均不会影响覆膜效果；附着性能好，薄膜结构致密，结晶程度良好。

异质外延技术

异质外延技术是在不同结构衬底上生长出晶体层的技术，使用该技术可以根据不同材料的特性，制造出具有新性能或优化性能的半导体器件，为器件的多样化设计提供了可能。因为外延层和衬底材料不同，所以两者的晶格常数不同，容易因此导致晶格失配，晶格失配度越大，外延层的临界厚度就会越薄，极易在界面处产生高密度的位错和缺陷，进而影响器件性能。其次，外延层和衬底材料的热膨胀系数不同，会在温度变化时导致应力和应变，影响器件的性能和可靠性。再者，由于外延层和衬底材料不同，可能会在一定条件下发生化学反应，从而影响外延层的质量，导致器件的电学性能和光学性能受到影响。异质外延的工艺流程比同质外延更为复杂，需要更精细的设备控制和参数优化，因此成本会因所需的条件、设备等出现涨幅。当前主要的异质外延方法包括化学气相沉积（CVD）、分子束外延（MBE）和液相外延（LPE）。其中，化学气相沉积因生长速率快、可精确控制掺杂浓度及厚度等优点，成为异质外延的主流技术。异质外延技术的工艺流程通常包括以下几个步骤：

（1）衬底选择：根据所需器件的性能选择适当的衬底材料，使用化学溶剂、超声波、等离子体等方法彻底清洗衬底表面，去除有机物、颗粒和氧化物，再通过机械或化学方法对衬底表面进行抛光，以确保表面光滑、无缺陷，最后依据需求将衬底进行切割。

（2）生长参数设定：根据目标材料的特性和器件要求，设定生长温度、压力、气体流量等关键参数。

（3）外延生长：在设定的条件下，通过CVD、MBE或LPE等技术，在衬底上生长出目标材料的薄膜。一般会在衬底和外延层之间生长一层或多层缓冲层，以缓解晶格失配和热膨胀不匹配的情况。

（4）外延层后处理：对外延层进行退火以减少缺陷和应力，再通过表面清洗，去除生长过程中可能形成的污染物和残留物，以改善晶体质量和表面形貌。

（5）表征与测试：使用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段，对外延层进行表征和测试，确保其满足器件性能要求。

（6）器件加工：在完成表征和测试后，通过光刻、蚀刻、掺杂和沉积对器件进行加工，以形成器件的结构、调整其电学特性。

（7）测试、封装：对完成的器件进行热循环、湿度、机械应力等测试，以评估其电学性能，确保可靠性。最后在合适的环境中完成封装，保护其免受外界的影响。

在硅衬底上用MBE方法生长CoSi₂示意图（图源：文献2）

*液相外延（LPE）：是以待生长的薄膜材料作为溶质，以熔点较低的金属作为溶剂，将溶质不断的溶入溶剂中，直至达到饱和状态，通过降温使溶液达到过饱和状态，此时溶质会析出并沉积到单晶衬底上，最终得到一层与单晶衬底取向一致的薄膜材料。优点：生长的薄膜结晶质量好；一次性可以进行数百块衬底生长；生长设备较为简单，成本低。

近年来，随着新材料体系的发现和应用，外延技术已经扩展到非常多的材料中以满足不同应用的需求。在未来，外延技术将朝着更高的生长精度发展，以制造更复杂、性能更优的器件，实现不同材料体系之间的集成，为开发多功能、高性能的集成系统作出贡献。

参考文献：

1、董浩永,任瑛,张贵锋.MPCVD同质外延单晶金刚石研究进展[J].材料导报.

2、屈新萍,李炳宗.硅衬底上异质外延生长硅化钴研究进展[J].固体电子学研究与进展.

3、周锐超.半导体异质外延理论的完善及相关实验研究[D].北京邮电大学.

4、周鑫.六方氮化硼薄膜的MOCVD外延生长及其特性研究[D].南京理工大学.

5、李传皓,李忠辉,彭大青,等.大尺寸GaN微波材料范德瓦耳斯外延机理及应力调控研究[J].人工晶体学报.

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