半导体衬底和外延有什么区别？

硅外延层和衬底是半导体制造过程中的两个重要组成部分。衬底是半导体芯片制造的基础，主要由单晶硅材料制成。硅外延层是在衬底上加工生长的一层硅材料，其材料特性与衬底相同。二者在成份、结构和性质上都有所不同。

一、衬底

衬底（substrate）是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片，衬底可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件，也可以进行外延工艺加工生产外延片。衬底是晶圆（把晶圆切开，就可以得到一个个的die，再封装好就成为传说中的芯片）最底下（其实芯片的最底部一般还会镀上一层背金，用做“地”连通，但是是在后道工序中制作的），承载整个支撑作用的底座（芯片里的摩天大楼就是建立在衬底之上的）。 如果把集成电路比喻成盖房子，那么衬底就是地基。由于要起到支撑作用。这些材料在晶体结构上，需要具有高度的一致性（比如高纯度的单晶硅。只有地基稳固了，才能保证上面盖好房子）。

 

 

 

二、外延

外延（epitaxy）是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底上生长一层新单晶的过程，新单晶可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料（同质外延或者是异质外延）。 由于新生单晶层按衬底晶相延伸生长，从而被称之为外延层（厚度通常为几微米，以硅为例：硅外延生长其意义是在具有一定晶向的硅单晶衬底上生长一层具有和衬底相同晶向的电阻率与厚度不同的晶格结构完整性好的晶体），而长了外延层的衬底称为外延片（外延片=外延层+衬底）。器件制作在外延层上展开。

外延片是很有价值的。比如，它通过在便宜的硅片上生长一层薄薄的GaN外延，这样用成熟（便宜）的第一代半导体材料做衬底，来(部分)实现第三代半导体（非常贵）宽禁带的特性，可谓是相当划算。但是像这种异质外延的结构，也存在很多问题，比如晶格失配（可以理解为把脚手架搭在塑料地基上）、温度系数不一致（热胀冷缩，温度变化时，不同材质肯定存在问题）、热传导不良（Si的导热性很差的）等等。

外延分为同质外延和异质外延，其中同质外延是在衬底上生长与衬底相同材料的外延层，同质外延的意义在哪儿？——提高产品稳定性和可靠性。虽然同质外延是生长与衬底相同材料的外延层，虽然材料相同，但可以提升晶圆表面的材料纯度和均匀度，通过外延处理的衬底，相比于机械抛光的抛光片，其表面平整度高、洁净度高、微缺陷少、表面杂质少，因此电阻率更加均匀，对于表面颗粒、层错、位错等缺陷也更容易控制。外延不仅仅提高了产品的性能，也能保证产品的稳定性和可靠性。

我们通常所说的第一、二、三、四代半导体，就是根据衬底或外延的材质来划分的。就是说，只要你用到了新一代的材料，不管是衬底还是外延，就都可以自称是新一代的半导体。比如说，你用单晶硅做衬底，然后在上面生长GaN外延，因为用到的材料里有GaN，所以硅基GaN也算是第三代半导体。

审核编辑：黄飞