过去三十年来，电子和光电子行业持续发展，其核心驱动力之一便是半导体材料生长与制备技术的不断突破。其中，外延技术凭借其晶体有序生长的特性，成为推动行业进步的关键。如今，无论是高亮度氮化镓（GaN）基发光二极管（LED）、高电子迁移率晶体管（HEMT），还是量子阱激光二极管、异质结双极晶体管等性能优异的电子和光子器件，其核心结构均由精密的外延工艺实现。
外延技术不仅能够精准制备高纯度的半导体材料，更能灵活控制界面特性、掺杂分布及新型材料组合，为器件性能的迭代升级提供了广阔的空间。
半导体材料中，两种核心的外延生长模式分别是 同质外延（homoepitaxy） 与 异质外延（heteroepitaxy）。
外延基础：定义、起源与生长模式
“外延（epitaxy）”一词由罗耶（Royer）于1928年提出，源自希腊语，意为“有序生长于其上”。它描述的是外延层（晶体）在衬底（宿主晶体）表面上，按照衬底的晶格对称性进行有序排列和生长的过程。
外延生长主要受两大核心因素制约：一是外延层与衬底之间平行晶格常数的差异（即晶格失配），二是两者的化学相容性。从热力学角度看，外延的最终平衡形貌由外延层表面自由能（Eep）、外延层-衬底界面自由能（EI）与衬底表面自由能（Es）三者之间的关系（即润湿条件）决定。基于这些因素，外延形成了三种典型的生长模式。
层状生长（弗兰克-范德梅尔生长模式），是热力学稳定状态下的二维生长。原子在衬底表面聚集，形成单层的岛状结构；随着沉积时间增加，这些岛状结构会逐渐扩大并连接成完整的单层；后续的单层则依次在此基础上生长，直至达到目标厚度。这种模式常见于同质外延（如硅/硅、GaAs/GaAs）或晶格匹配良好的异质外延（如AlGaAs/GaAs）。
为了实现真正意义上的原子级层状生长，科研人员开发了迁移增强外延（MEE）和原子层外延（ALE / 原子层沉积 ALD）技术。MEE通过周期性中断源通量和诱导表面重构，让原子有充足时间扩散到理想的成核位点；而ALE/ALD则通过交替的通量暴露与吹扫周期组合，实现单分子层的自限制沉积。这两种技术都能实现原子级精度的厚度控制，但生长速率较低（约1单层/秒），多用于制备极薄的外延层。其中，ALD技术已成为在硅上沉积高κ栅介质的首选工艺。
成核生长（沃尔默 - 韦伯生长机制） 适用于热力学不稳定的体系，以三维岛状方式生长。岛状结构随着沉积时间增大，最终相互接触、共生，并形成连续的薄膜。这种模式常见于晶格失配严重或化学不相容的体系（如GaN/蓝宝石、SiC/Si）。针对相关挑战，业界已开发出柔性衬底、界面模板工程等技术来应对。
第三种是 层状生长后续成核生长（S-K 生长模式），适用于晶格失配程度较低的情况。在初始阶段，系统保持稳定并实现对衬底的完全润湿；但随着外延层厚度增加，总的表面自由能升高，生长模式会从二维转变为三维生长。InGaAs/GaAs、SiGe/Si等重要的赝晶结构均通过这种模式生长制备。
图1 外延中的不同生长模式
MBE与CVD的发展与应用
在半导体行业中，分子束外延（MBE）和化学气相沉积（CVD）是两种成熟且广泛应用的外延生长技术。两者都具有非平衡生长的特性，并各自衍生出多种适配不同应用场景的技术变体。
分子束外延（MBE） 的核心原理是：在超高真空环境中，通过喷射炉或克努森池蒸发硅、锗、镓、砷等元素源，形成的原子/分子束以弹道特性轰击加热的衬底。这些粒子经表面迁移、再蒸发、成核、晶格并入等一系列步骤，最终完成晶体的外延生长。
图2 分子束外延（MBE）过程的基本步骤。1 表面迁移 2 再蒸发 3 形成孤立的二维团簇 4 在台阶边缘并入晶格 5 沿台阶边缘迁移并在扭折处并入晶格
典型的MBE系统由不锈钢制成，包含装载室、传输与分析/处理室以及生长室。系统通过扩散泵、涡轮泵等多种泵的组合，可以维持高达10⁻¹¹托量级的超高真空环境。生长室周围的液氮低温板则用于防止内壁材料再蒸发，并提供热隔离。
图 3 通用分子束外延（MBE）系统的示意图
MBE技术的一个关键优势在于其配备了超高真空原位表征系统。其中，高能电子衍射（RHEED）是核心的分析工具。通过使用约20 keV的高能电子束掠射样品表面，可以实时监测表面的重构状态、生长速率乃至合金的摩尔分数。通常，条纹状的衍射图案对应二维层状生长，而斑点状图案则意味着三维岛状生长。
图 4 硅衬底上外延钛酸锶（SrTiO₃）的高能电子衍射（RHEED）图案：（a）沿 [110] 晶向；（b）沿 [010] 晶向
经过二十余年的发展，MBE系统已从研发设备升级为能够处理多片晶圆的大型生产设备。例如，Riber 7000型MBE设备可容纳13个源，年吞吐量最高可达24,000片6英寸晶圆。尽管MBE存在设备成本高、维护要求高、停机时间较长等局限，但其凭借低危害特性和在铝镓砷/砷化镓材料方面优良的生长品质，已占据了砷化镓电子专用市场的半壁江山，多数砷化镓外延代工厂也已转向采用该技术。
化学气相沉积（CVD） 则可以在常压或近常压下进行。其源材料为气态，通常以高纯度氢气或氮气作为载气。生长过程涉及复杂的气相反应和表面反应机制，且生长温度通常高于MBE。以三氯硅烷（TCS）进行硅外延为例，仅在气相反应中就已识别出多达11种 SixHyClz 物种和9种反应，其一级近似反应可表示为：SiHCl₃ + H₂ → Si + 3HCl。
金属有机化学气相沉积（MOCVD）是CVD技术的一个重要变体，广泛应用于砷化物、磷化物和氮化物基化合物半导体的外延生长。其核心差异在于前驱体组合：它使用金属有机源（如三甲基镓 TMG、三甲基铟 TMI）与第 V 族氢化物（如砷化氢 AsH₃、氨气 NH₃）协同作用。对于 III-V 族化合物半导体，V:III 比是关键参数。以氮化镓外延为例，通常需要高达数千的 V:III 比，以补偿氨气的低分解率，生长温度约为 1050°C。
MOCVD 系统主要由气体管路、负载锁、反应室和排气系统组成。反应器分为垂直型（气体流动垂直于衬底）和水平型（气体流动平行于衬底），支持 2-8 英寸衬底的单片或批量处理。例如，Veeco 公司的 TurboDisc® 垂直旋转圆盘反应器，通过高速旋转（≈1000 转/分钟）和复杂的气体喷射器设计，实现了均匀的边界层分布，兼具残余物堆积少、工艺稳定、颗粒数量少等优势，有效提升了外延良率并降低了成本。
目前，商业化的 MOCVD 设备主要由爱思强（Aixtron，行星式/近耦合喷淋头设计）和 Veeco（涡轮盘设计）提供。两家公司的设备均能实现优良的材料生长性能和可观的吞吐量。其中，Veeco K465i 型设备每月最高可处理 700 片 6 英寸晶圆，并配备了 DRT-210 原位监测系统，可实时跟踪晶圆温度、表面反射率和曲率。
氮化镓（GaN）外延：技术突破与产业应用
氮化镓（GaN）是宽带隙材料的杰出代表，其带隙宽度达 3.4 eV，兼具优异的电子和光学特性，已成为化合物半导体中最大的市场——2020年，其LED相关市场规模超过150亿美元，RF/功率器件市场也达到约10亿美元。然而，实现高质量GaN外延的核心挑战在于缺乏本征或晶格匹配的衬底。目前，行业主要采用蓝宝石（晶格/热失配率分别为 -16%/23%）、碳化硅（-3.5%/-25%）和硅（17%/-115%）作为衬底，并通过创新工艺来突破这些失配难题。
为解决大晶格失配问题，科研人员开发了两步生长工艺，其核心是运用 沃尔默-韦伯生长机制。
图 7 蓝宝石上氮化镓（GaN）的两步生长序列
- 第一步：在相对较低的 500-700°C 下，沉积一层数百埃厚的成核层（通常为GaN或AlN）。该层为高度有序的多晶结构，其晶粒密度和尺寸受温度、压力、生长速率等参数影响，工艺过程需要精准的温度控制和原位监测。
- 第二步：将温度升至 950°C 以上，在成核层上生长 GaN。初始阶段为岛状生长，当厚度达到约 0.3μm 后，岛状结构通过横向生长合并，最终转变为稳定的二维外延生长。
这一工艺的有效性已通过表面反射率的原位监测得到验证。而成核层材料类型、成核温度、V/III 比等参数的精细优化，是获得器件级质量GaN的关键。
图 8 生长过程中的原位表面反射率：左图振荡衰减（表面粗糙，需调整成核温度或生长速率），右图持续振荡（镜面表面，二维生长稳定）。
尽管两步工艺有效缓解了晶格失配，但GaN薄膜中仍会产生大量位错——在 GaN/成核层界面处，位错密度可超过 10¹²/cm²，随着薄膜厚度增加，通过位错的抵消/湮灭过程，密度可降至 10⁸/cm² 左右。这些位错包括螺型、刃型和混合型。研究表明，当位错密度降至 10⁸/cm² 范围时，对大多数器件性能和可靠性的影响已极小。通过该工艺制备的 4μm 厚 GaN 薄膜，在 5×5μm 的 AFM 扫描窗口中，其均方根（RMS）粗糙度通常小于 5Å，呈现出典型的台阶-平台结构，6英寸衬底上的晶圆翘曲可控制在 80μm 以内。
在器件应用方面，GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）是典型代表。通过在 GaN 缓冲层上生长铝镓氮（AlGaN）三元层，因极化效应在界面处形成高浓度的二维电子气（2DEG），作为晶体管的导电沟道。对于铝摩尔分数 x=25% 的 AlGaN/GaN HEMT 结构，室温下二维电子气面密度约为 10¹³/cm²（对应面电阻约 400Ω/□），迁移率超过 1200 cm²/V·s，是射频（RF）和高功率开关器件的理想选择。值得一提的是，赤崎勇、天野浩和中村修二三位科学家在高质量GaN外延生长领域的突破性贡献，直接推动了GaN蓝光LED的产业化，他们也因此荣获了2014年诺贝尔物理学奖。
材料表征与分析：保障器件质量的关键手段
化合物半导体器件的性能高度依赖于外延材料的质量，因此需要一套涵盖物理、电学和光学类别的表征与分析工具，从不同维度确保材料符合器件设计要求。
物理表征主要聚焦于材料的晶体结构、表面形貌和成分分布。
- 高分辨率 X 射线衍射（XRD）：通过测量（002）对称反射和（102）非对称反射，可以评估薄膜的结晶质量、应变与弛豫程度以及合金成分。衍射峰的半高宽（FWHM）直接反映了结晶质量的好坏，（102）峰与刃型/混合位错密度相关，（002）峰则主要受螺型位错影响。器件级材料通常要求刃型位错密度小于10⁹/cm²，螺型位错密度小于 10⁸/cm²。
- 原子力显微镜（AFM）：是表征表面粗糙度、凹坑及其他微观形貌缺陷的核心工具，尤其擅长观察外延层表面的台阶-平台结构。
- 透射电子显微镜（TEM）：可以直观地确认外延层厚度、界面质量，并能用于估算位错密度。
- 二次离子质谱（SIMS）：能够精确监测背景掺杂浓度、污染物含量、成分分布和层厚。在GaN外延中，通常需要将氧含量控制在 SIMS 检测极限以下，而碳含量通常处于 10¹⁶/cm³ 水平，可用于补偿深能级杂质以实现半绝缘特性。
图11 蓝宝石上氮化镓（GaN）在（002）和（102）反射面的 X 射线衍射（XRD）摇摆曲线光谱
图 10 氮化镓（GaN）外延层的原子力显微镜（AFM）图像
图 9 蓝宝石衬底上氮化镓（GaN）外延层的横截面透射电镜（TEM）图像
图14 蓝宝石上氮化镓（GaN）的二次离子质谱（SIMS）深度剖面
电学表征主要针对材料的导电性能。
- 范德堡（Van der Pauw）法：用于测量载流子的迁移率。
- 无接触面电阻测量：可以直接获取沟道中的载流子面密度。
- 电容-电压（C-V）测量：用于表征材料的本征/非本征载流子特性。这些参数直接决定了器件的电学性能上限。
光学表征以光致发光（PL）为核心。
在室温下，GaN/蓝宝石薄膜的 PL 光谱中，约 365 nm 处的强发射峰为带边（BE）发射，对应材料的近带隙发光，是GaN光学特性的本征表现；而约 550 nm 处的宽发射带则为黄带（YB）发光，通常由镓空位等缺陷引起。黄带与带边发射的强度比是评估材料质量的重要指标，高质量器件要求尽可能降低这一比值。此外，通过PL测量还可以非接触式地提取GaN薄膜厚度和AlGaN层中的铝成分，在6英寸外延晶圆上，厚度和成分的均匀性通常可控制在 2% 以内。
图 12 蓝宝石上氮化镓（GaN）的典型光致发光（PL）光谱
图 13 6 英寸外延晶圆的光致发光（PL）晶圆图，显示氮化镓（GaN）厚度和铝镓氮（AlGaN）层中的铝成分分布
外延制造与控制：平衡质量与成本的工程实践
现代外延生产的核心挑战是在目标成本范围内，实现大规模、高良率的外延晶圆生产。这要求对外延操作进行严格控制，并实施高水平的全流程质量管理。与硅基工艺中许多高度自动化的步骤不同，MBE 和 MOCVD 在工艺复杂度和设备精密性要求上更高，需要大量的工程技术支持。因此，成功的代工厂需要配备具备材料生长科学、材料表征和器件物理深厚知识的高素质工程师团队，以快速响应工艺窗口的微小偏差，维持外延生产的高质量与高稳定性，相关的人力成本也相对较高。
图 15 用于高电子迁移率晶体管（HEMT）应用的铝镓氮（AlGaN）/氮化镓（GaN）外延的工艺流程
统计过程控制（SPC） 是外延工艺控制的核心方法论。通过为关键工艺参数建立并持续记录SPC控制图，可以实时监测工艺的稳定性，并及时发现异常趋势。检测策略根据参数的重要性和检测工具的吞吐量来制定：对于颗粒缺陷、PL特性、面电阻等直接影响器件良率的关键参数，通常采用100%全检；而对于高分辨率XRD、缓冲层电阻率等耗时较长的分析，则进行科学抽样检测。长期的生产数据表明，通过有效的SPC控制，GaN缓冲层厚度、AlGaN阻挡层铝成分和面电阻等关键参数可以实现非常集中的分布，这既体现了现代MOCVD工艺控制的稳健性和外延工艺窗口的宽广性，也证明了当前商用设备已完全具备生产复杂化合物半导体材料体系的能力。
图 16 SPC 趋势图：a 图为光致发光（PL）测量得到的氮化镓（GaN）厚度趋势，b 图为光致发光（PL）测量得到的铝镓氮（AlGaN）中的铝成分趋势
安全与环境健康：合规运营的基本保障
对于MOCVD外延系统而言，安全是运营中的核心关注点。其运行成本的很大一部分用于构建和完善有毒/易燃气体监测与报警系统，以及制定周密的应急预案。由于外延过程中仅有部分进气反应并沉积在衬底上，大量未反应的气体及气相反应副产物需要通过排气系统排出。因此，必须在设备下游安装高效的减排系统（如燃烧塔、洗涤塔），以符合环保法规，减少对大气环境的影响。外延代工厂必须严格遵守《职业安全与健康法》（OSHA）、《有毒气体条例》、《统一消防规范》、《清洁空气法》以及地方相关法规，确保操作安全和环境合规，这是行业可持续发展的基本前提。
未来趋势：外延技术的演进方向
随着电子和光电子行业向更高性能、更低功耗、更小尺寸持续发展，外延技术也必将向更高规格、更高效的生产模式演进。下一代器件对外延层提出了近乎苛刻的要求，包括更陡峭的异质界面过渡、更精准的掺杂分布等。低热预算异质外延、在图案化衬底上进行选择性外延等技术将得到更广泛的应用。为适配这些需求，新一代外延系统需要采用更先进的反应器设计，以实现更长的计划内预防性维护间隔，保证生产的长期稳定性。同时，行业将进一步推进材料质量（如PL特性、厚度、成分）检测的完全自动化，并发展更先进的实时原位监测与闭环工艺控制系统，通过大幅提升首次良率、减少甚至消除外延后检测环节，从而进一步降低总体拥有成本（TCO）。
结语
外延技术是半导体与光电子行业名副其实的核心基石，它涵盖了从基础物理原理、生长动力学到先进工艺技术、精密材料表征乃至严格制造控制的完整知识体系。其每一步发展与创新，都直接推动着各类高性能器件的产业化进程。从三种经典生长模式的深入理解，到MBE与CVD/MOCVD的技术竞争与市场互补；从GaN外延在非匹配衬底上的技术突破，到多维度的材料表征手段协同；从基于SPC的严格工艺控制，到关乎企业生命线的安全合规运营——外延技术的演进史，就是一部融合了材料科学、表面物理、化学工程、质量管理和设备工程的跨学科创新史。未来，随着技术的持续精进，外延将继续为电子和光电子行业的突破提供最核心的动力。而由多领域专家组成的、具备深厚知识与经验的团队，无疑是打造成功外延代工厂、推动整个行业持续进步的最终关键。想要深入探讨更多技术细节或获取相关资源，欢迎在云栈社区与同行交流。
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