摘要：外延（Epitaxy）是一种用于在单晶衬底上生长单晶薄膜的技术，源自希腊语 "epi"（意为 "在上面"）和 "taxis"（意为 "排列"）。这种技术能够使生长的薄膜继承衬底的晶体结构和取向，对于现代半导体工业具有至关重要的意义。外延生长的过程可以分为同质外

1 外延技术概述

外延（Epitaxy）是一种用于在单晶衬底上生长单晶薄膜的技术，源自希腊语 "epi"（意为 "在上面"）和 "taxis"（意为 "排列"）。这种技术能够使生长的薄膜继承衬底的晶体结构和取向，对于现代半导体工业具有至关重要的意义。外延生长的过程可以分为同质外延和异质外延两种类型：同质外延是指薄膜与衬底为同种材料，如硅上外延硅；异质外延则是薄膜与衬底为不同材料，如蓝宝石上外延氮化镓。外延技术的核心价值在于能够精确控制薄膜的厚度、掺杂浓度和组分，从而创造出各种复杂的半导体器件结构。

从历史发展角度看，外延技术起源于 20 世纪 60 年代初，当时液相外延（LPE）成为最早被广泛采用的外延方法之一。1963 年，Nelson 等人首次提出了 LPE 技术，为化合物半导体单晶薄层的主要生长方法奠定了基础。到 1970 年，分子束外延（MBE）由贝尔实验室的卓以和（Alfred Y. Cho）发明，实现了更高精度的原子级控制，这项技术能生产厚度仅有头发千分之一的薄膜，使半导体制造精度由几微米进入了零点几微米。70 年代末和 80 年代初，金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术逐渐成熟，为大规模生产化合物半导体器件提供了可能，20 世纪 90 年代 MOCVD 技术得到快速发展，成为制备 III-V 族化合物半导体材料的主要技术。

现代外延技术已经发展成为一门精密的材料工程学科，它不仅需要精确控制原子排列，还需要考虑界面质量、应力控制和缺陷减少等多个方面。这些技术的发展推动了半导体光电子器件、功率器件、量子器件和低维材料的飞速进步，为现代信息技术奠定了坚实的基础。本文将详细分四种主要的外延技术：分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）、热壁外延（HWE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）

2 分子束外延（MBE）

2.1 技术原理

分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）是一种在超高真空环境下（通常优于 10⁻¹⁰ Torr），通过将源材料加热蒸发产生分子束，使这些分子束以直线运动方式到达加热的衬底表面，从而进行外延生长的技术。MBE 的核心原理是在超高真空环境中，分子束的平均自由程远大于源到衬底的距离，这使得分子能够以直线方式到达衬底表面而不发生碰撞，随后在衬底表面经历吸附、迁移、分解和结晶等过程。

MBE 生长过程具有三个显著特点：首先是生长温度低，如 GaAs 的生长温度仅为 500-600℃，这有效避免了界面原子的相互扩散；其次是生长速率极低，通常为每小时几百纳米到几千纳米（通常小于 3000 纳米 / 小时），这使得它能够实现原子级的控制精度；

最后是超高真空环境，大大降低了外延过程中的杂质污染，提高了材料的质量和纯度。这些特点使 MBE 技术在制备单原子层、短周期数字合金、超晶格、量子点、量子盘和纳米线等新型结构方面具有无可比拟的优势。

2.2 设备构成

MBE 系统是一种高度复杂的设备，通常由三个主要部分组成：进样室、预处理室和生长室。各腔室之间通过阀门和法兰接口相互隔离，并配有独立的真空系统，腔室之间的传输采用传送杆实现。

真空系统：MBE 的真空系统是保证生长质量的关键，通常由真空腔室、真空阀门、真空泵、真空检测系统和液氮冷凝系统等部分组成。真空泵的选择取决于系统各腔室对真空等级的需求，通常采用离子泵、涡轮分子泵和低温泵组合的方式。液氮冷凝系统不仅用于冷却腔体，还能消除金属源炉之间的热影响，提高腔体真空度，降低外延材料中的杂质并入。

束源炉系统：束源炉是放置和加热源材料的容器，一般由高温加热元件和精密温度控制器组成。每个束源炉通常配备有独立的机械挡板，用于快速开关分子束流。对于不同的源材料，需要选择不同的加热方式和工作温度。例如，对于 As 和 Sb 等元素，需要借助裂解炉通过高温裂解实现分子束流。

原位监测系统：MBE 系统最具特色的优势是能够配备多种原位实时监测设备，如反射式高能电子衍射（RHEED）仪、俄歇电子能谱（AES）仪和光学测温仪等。RHEED 特别重要，它可以通过观察反射电子的衍射图形来监测外延表面的结构和质量，通过分析衍射条纹的强度振荡曲线，甚至可以精确测量外延速率。

2.3 工艺过程

MBE 的外延工艺过程极为精细和复杂，主要包括以下步骤：

衬底准备

：选择合适的衬底（如 GaAs、Si 或蓝宝石等），并进行严格的化学清洗和表面处理，以去除污染物和氧化物。

装片与预除气

：将衬底安装在特制的钼块上，放入进样室进行预除气处理，去除表面吸附的水汽和其他挥发性污染物。

高温脱氧

：将衬底传输到生长室后，升高衬底温度使其表面的氧化物开始解析。当 RHEED 观察到线状条纹，并最终出现清晰尖锐的衍射图像时，表明衬底表面的氧化物和杂质已基本去除干净。

外延生长

：将衬底温度降低到适宜的外延生长温度（对于 InAs/GaSb 超晶格约为 400-500℃），按照预设的结构设计逐层生长。通过控制各束源炉的温度和挡板的开关，精确控制每种组分的束流强度和时间。

降温与取片

：生长完成后，将衬底温度梯度降低至室温，然后从传递室中取出样品。

整个生长过程中需要精确控制多个参数：衬底温度（决定原子在表面的迁移能力）、Ⅲ 族元素的束流（决定生长速率）和 Ⅴ/Ⅲ 族束流比（影响结晶质量和表面形貌）。

2.4 材料与气体

MBE 使用的源材料通常是高纯度（通常优于 6N）的固态元素或化合物，如 Ga、Al、In、As、Sb 等。掺杂剂也多为固态，如 Si（n 型掺杂）和 Be（p 型掺杂）。对于某些特殊应用，如气态源 MBE（GS-MBE），也会使用一些气态源材料。

MBE 生长过程中通常不需要反应气体，但需要维持极高的真空环境。偶尔在生长氧化物薄膜时，可能需要导入适量的氧气或其他反应气体。系统的真空环境通常由高性能的真空泵和液氮冷阱维持，不需要大量的载气。

2.5 应用领域

MBE 技术由于其卓越的精度和控制能力，被广泛应用于各种高端半导体器件的研制和生产中：

量子结构器件

：MBE 是制备量子阱、量子线和量子点等低维结构的首选技术，这些结构是研制新型激光器、探测器和单电子器件的基础。

高频器件

：MBE 生长的高电子迁移率晶体管（HEMT）和异质结双极晶体管（HBT）在微波和毫米波通信领域有广泛应用。

光电子器件

：MBE 制备的 GaAs、InP 基激光器和探测器在光纤通信和数据存储领域发挥关键作用。

奇特材料体系

：MBE 在生长超晶格、自旋电子学材料和拓扑绝缘体等新型材料方面具有独特优势。

上世纪 90 年代后，MBE 技术生产的器件开始广泛应用于电视、手机、MP3、卫星导航仪、电脑以及其他多种大型设备的控制器中。卓以和带领团队利用 MBE 技术开创性地研制成功量子阱级联式新型激光器，被认为是半导体激光器发展中的又一个 "里程碑"。

表：MBE 技术的主要特点和应用领域

特性描述优势应用生长温度

低温生长（500-600℃对于 GaAs）

减少界面扩散，制造陡峭界面

生长速率

慢速生长（0.1-1.0 单原子层 / 秒）

原子级精度控制厚度

真空环境

超高真空（10⁻¹⁰ Torr）

高纯度薄膜，低背景掺杂

原位监测

RHEED、AES 等实时监测

实时监控生长质量和速率

界面质量

原子级陡峭界面

量子结构、超晶格器件

3 液相外延（LPE）

3.1 技术原理

液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE）是一种通过从熔融的金属溶液中析出固相物质，使其在衬底上沉积形成单晶薄膜的技术。其基本原理是以低熔点的金属（如 Ga、In 等）为溶剂，以待生长材料（如 Ga、As、Al 等）和掺杂剂（如 Zn、Te、Sn 等）为溶质，形成饱和或过饱和溶液。通过降温冷却，使溶质从溶剂中析出，在单晶衬底上定向生长一层晶体结构和晶格常数与衬底相似的晶体材料。

LPE 的生长过程受相平衡热力学和物质传输动力学共同控制。在平衡条件下，溶液相对于衬底材料是饱和的。当溶液被冷却时，变得过饱和，溶质开始从溶液中析出并在衬底上沉积。生长速率主要由冷却速率、溶液中的溶质扩散速率以及界面反应速率决定。

3.2 设备类型

LPE 设备主要有三种类型，每种都有其独特的设计和适用场景：

倾斜式 LPE 系统：是最早开发的 LPE 装置，由石英管、石英容器和管式炉组成。生长前，使石英容器向某一方向倾斜，将溶液和衬底分别放在容器两端。生长时，通过转动炉子或容器使溶液覆盖在衬底上开始外延生长。

垂直式 LPE 系统：将溶液放在石墨坩埚中，而衬底放在位于溶液上方的衬底架上。生长时，通过降低衬底或提升坩埚使衬底浸入溶液中，或者使溶液与衬底接触进行外延。

滑动舟式 LPE 系统：是目前最常用和先进的 LPE 装置，采用多个溶液槽的滑动石墨舟，可以在一个生长周期内连续生长多个不同组分或掺杂的薄层。这种系统具有最好的层厚控制和组分控制能力。

近期报道的一种新颖的旋转坩埚系统 (离心系统) 也值得注意，它通过离心力控制溶液与衬底的接触，为 LPE 技术提供了新的发展方向。LPE 系统通常在无氧环境中进行，要么采用真空环境，要么采用氢气和氮气保护的炉子，以防止溶液和薄膜的氧化。

3.3 工艺过程

LPE 的标准工艺过程包括以下主要步骤：

溶液制备

：根据相图计算所需的各种组分的量，将溶剂金属、溶质材料和掺杂剂放入石墨舟或石英坩埚中。

系统净化

：将系统密封后，通入高纯惰性气体（如氩气）或还原性气体（如氢气），或者抽真空，以去除氧气和水汽。

加热溶解

：将系统加热到高于饱和温度 10-50℃的温度，使所有组分充分溶解并形成均匀的溶液。

饱和处理

：将温度调整到饱和点附近，并在此温度下保持一段时间，使溶液达到热力学平衡状态。

外延生长

：通过降温冷却使溶液过饱和，溶质从溶液中析出并在衬底上外延生长。冷却速率通常为 0.1-1.0℃/ 分钟，精确控制冷却程序是关键。

分离清洗

：生长结束后，将衬底从溶液中取出，并采用适当的溶剂（如酸或水）溶解去除附着在薄膜表面的残余金属。

LPE 的生长速率通常比 MBE 和 MOCVD 快得多，可达 1-10μm/min，这使得它特别适合生长较厚的外延层。

3.4 材料与气体

LPE 使用的源材料包括：

溶剂金属

：通常采用低熔点金属，如 Ga（熔点 29.8℃）、In（156.6℃）、Sn（231.9℃）或它们的合金。近年来，新的溶剂（主要是 Ag、Au 及其合金）不断发现，大大降低了硅 LPE 的温度。

溶质材料

：待生长的半导体材料，如 Si、Ge、GaAs、GaP、GaAlAs 等。

掺杂剂

：根据需要选择 n 型或 p 型掺杂剂，如 Te、Sn、Si（n 型）；Zn、Mg、Be（p 型）。

LPE 过程中使用的气体主要是保护性气体，如高纯氢气（最常见）、氩气或氮气，用于防止溶液和薄膜的氧化。有时也会使用少量的反应性气体，如氢气用于还原金属氧化物。

3.5 应用领域

LPE 技术虽然在复杂异质结构和超薄层生长方面不如 MBE 和 MOCVD，但在某些特定领域仍有重要应用：

发光二极管（LED）

：LPE 是生产传统 LED 芯片的主要技术，特别是 AlGaAs 和 AlGaInP 红光和红外 LED。

太阳能电池

：LPE 生长的 GaAs 太阳能电池具有较高的转换效率，在空间应用方面有优势。在硅基太阳能电池制造中，在廉价的衬底如硅片、玻璃、陶瓷上液相外延一层 10-50μm 的高质量硅薄膜，已成为降低成本的重要研究方向。

磁性薄膜

：LPE 是生长石榴石等磁性薄膜的主要方法，用于制造磁泡存储器和磁光器件。

厚层器件

：对于需要较厚外延层的器件（如某些功率器件），LPE 仍有竞争力。

三维集成技术

：LPE 技术在三维集成技术 (3DI) 中应用前景广阔，可用于制作有源器件，实现更高密度的器件集成。

场控制器件

：LPE 因其可以消除自掺杂，在垂直沟道的场控制器件中的埋栅制造及沟道的外延再填方面得到应用，尤其对硼扩散的埋栅区域的埋结制造优势明显。

LPE 技术的主要优势在于设备简单、生长速率快、晶体完整性好、掺杂剂选择范围广以及操作安全简便。但其局限性也很明显：当外延层与衬底晶格失配大于 1% 时难以获得高质量外延；难以生长很薄的外延层和复杂异质结构；表面形貌一般不如气相外延。硅 LPE 技术近年来一方面在向低温方向发展，另一方面在改善其组分分布、表面形貌等方面都取得了不少成果。

4 热壁外延（HWE）

4.1 技术原理

热壁外延（Hot Wall Epitaxy，HWE）是一种改进的真空蒸发沉积技术，其核心特点是在源和衬底之间设置加热的 "热壁"，形成一个接近热力学平衡的沉积系统。

HWE 的基本原理是：在真空条件下同时加热源材料、生长室的壁和衬底。源的温度通常高于衬底温度，从源表面蒸发出来的化合物分子或其组分原子，部分直接到达衬底表面，部分与热壁发生碰撞。由于热壁温度接近源温度，碰撞的分子或原子几乎不损失动能，仍然可以到达衬底表面进行外延生长。

与普通真空蒸发相比，HWE 的独特之处在于热壁的存在创造了近乎封闭的生长环境，使生长管内气压比外部真空腔体高 2-3 个数量级，源蒸气在衬底表面形成较大的过饱和蒸气压，从而使薄膜以较高的速率生长（通常为 1-10μm/h）。这种设计减少了源材料的损失，提高了生长效率，并使生长过程更接近热力学平衡条件。

4.2 设备设计

HWE 系统通常由生长系统、加热及控温系统和真空系统三部分组成。一个先进的 HWE 装置可能包括以下关键组件：

真空腔体

：包括进气口、出气口和连接抽真空系统的排气口，通常需要达到 10⁻⁴ Pa 的真空度。

生长炉

：采用多段式设计，包括补偿源炉体、生长源炉体和热壁炉体，它们从下往上依次竖直轴心排列，各段之间用陶瓷片隔热。

气氛补偿炉

：与生长炉沿真空腔体中心轴对称分布，为生长结束后降温的外延薄膜提供补偿气氛，防止化合物中平衡蒸气压大的元素挥发导致化学计量比偏离。

衬底支架

：包括盘状加热丝、均热盘和衬底托，通过外部电机控制其上下和旋转运动，调节衬底距炉口的高度并实现生长前后衬底在不同炉子间的转换。

特殊挡板设计

：在生长石英管内热壁炉体对应位置放置带孔石英挡板，上面均匀开有一定数量的小孔，可以增加气体分子或原子与挡板的弹性碰撞，降低蒸发气体冲向衬底的速率，从而控制生长速率。

4.3 工艺过程

HWE 的标准工艺过程包括以下主要步骤：

装源

：将高纯源材料（如 5N 的碲化铋）和补偿源（如 7N 的 Te）放入生长石英管内，并将带孔石英挡板放置在预定位置。

衬底准备

：衬底经过严格的化学清洗和腐蚀（如用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗，然后在特定腐蚀液中腐蚀），最后用高纯氮气吹干。

系统密封与净化

：将衬底放入衬底托，封闭系统后先通入惰性气体（如 N₂）30 分钟，然后开始抽真空。

加热生长

：当真空度达到要求（如 1×10⁻⁴ Pa）后，开始加热热壁、源、补偿源和衬底。达到预设温度后，移开挡板，将衬底降至生长石英管管口开始外延生长。

降温与补偿

：生长结束后，重新挡上挡板，将衬底旋转至已达到预设温度的气氛补偿炉炉口，外延薄膜和气氛补偿炉以控制速率降温。

以生长碲化铋为例，最佳生长温度分别为：热壁 460-520℃、碲化铋生长源 450-510℃、Te 补偿源 250-350℃、衬底 320-380℃。

4.4 材料与气体

HWE 技术特别适用于Ⅳ-Ⅵ 族（如 PbTe、SnTe）、Ⅱ-Ⅵ 族（如 CdTe、ZnTe）和Ⅴ-Ⅵ 族（如 Bi₂Te₃、Sb₂Te₃）化合物半导体材料的外延生长。这些材料通常是热电材料或拓扑绝缘体，在现代能量转换和量子技术中具有重要应用。

HWE 使用的源材料通常是高纯度的二元或三元化合物，有时也使用单质元素。补偿源通常选择平衡蒸气压较高的元素（如 Te、Se 等），用于防止生长和降温过程中这些元素的挥发，保持化学计量比。

HWE 过程中使用的气体主要是惰性保护气体（如氮气）和真空系统所需的气体。气氛补偿系统可能需要使用特定的反应性或保护性气体。

4.5 应用与改进

HWE 技术的主要应用领域包括：

热电材料

：Bi₂Te₃、PbTe 等热电材料的外延生长，用于制造热电发电和制冷器件。

拓扑绝缘体

：Bi₂Te₃、Bi₂Se₃和 Sb₂Te₃等三维拓扑绝缘体薄膜的制备，用于研究其表面电子态和自旋电子学性质。

红外探测器

：PbSnTe 等窄带隙半导体外延生长，用于制造红外探测器和激光器。

量子结构

：纳米薄膜、纳米盘、纳米带等低维结构的外延生长。

传统的 HWE 技术生长速率较高（1-10μm/h），适合制备几微米到几十微米的厚膜，但不适合纳米薄膜的生长。改进型 HWE通过使用带孔石英挡板，增加气体分子或原子与挡板的弹性碰撞，降低蒸发气体冲向衬底的速率，从而降低衬底表面的过饱和蒸气压，使生长速率可控，实现纳米薄膜的外延生长。

5 金属有机化学气相沉积（MOCVD）

5.1 技术原理

金属有机化学气相沉积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD），也称为金属有机气相外延（MOVPE），是一种通过金属有机化合物和氢化物在加热的衬底表面发生热分解反应，进行气相外延生长的技术。其基本原理是以 Ⅲ 族、Ⅱ 族元素的有机化合物和 Ⅴ 族、Ⅵ 族元素的氢化物作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种 Ⅲ-Ⅴ 族、Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。

MOCVD 的反应机制涉及多个气相反应和表面反应过程。以生长 GaAs 为例，主要反应为：(CH₃)₃Ga + AsH₃ → GaAs + 3CH₄。实际过程更为复杂，包括源物质的蒸发、运输、热分解、扩散、吸附、表面迁移、反应结晶和副产物脱附等多个步骤。

MOCVD 的生长过程可以分为三个温度区域：

低温区

（热分解控制区）：生长速率由金属有机源分子的热分解速率控制，生长速率强烈依赖温度，温度的微小变化会显著影响晶体生长的均匀性和重复性。

中温区

（质量传输控制区）：所有源分子在晶体表面全部分解或分解速率不受温度影响，生长速率主要受质量传输控制，温度对其影响较小。

高温区

（热力学控制区）：生长速率随温度升高而降低，这是由于热力学控制起主导作用，如生长基元的挥发、均相反应等。

5.2 系统组成

MOCVD 系统是一种高度复杂和精密的设备，通常由以下几个子系统组成：

源供给系统：包括 Ⅲ 族金属有机化合物、Ⅴ 族氢化物及掺杂源的供给。金属有机化合物装在特制的不锈钢鼓泡器中，由通入的高纯 H₂携带输运到反应室。源瓶置于电子恒温器中，温度控制精度可达 0.2℃以下。氢化物一般经高纯 H₂稀释到浓度 5%-10% 后装入钢瓶中，使用时再用 H₂稀释到所需浓度。

气体输运系统：气体输运管采用不锈钢管道，内部进行电解抛光以防止存储效应。管道的接头采用氢弧焊或 VCR 及 Swagelok 方式连接，并进行严格的正压检漏和 He 泄漏检测。流量由高精度质量流量计和电磁阀、气动阀等控制。为了迅速切换反应气体而不引起反应室内压力变化，设置 "run" 和 "vent" 管道。

反应室设计：反应室是 MOCVD 系统的核心，有多种设计形式，如垂直式、水平式、行星式（Planetary Reactor）和紧耦合喷淋头式（Close Coupled Showerhead）等。石墨基座由高纯石墨制成并包裹 SiC 层，多采用射频感应加热或辐射加热。最新的 MOCVD 设备如 Prismo UniMax™配置了创新的多区温度补偿加热系统和优化设计的喷淋头，实现了更好的均匀性和产出稳定性。

尾气处理系统：反应气体经反应室后大部分热分解，但仍有部分未完全分解，尾气不能直接排放到大气中，必须先经过处理。处理方法包括高温热解炉再次热分解、硅油或高锰酸钾溶液处理、酸碱性溶液吸收、固体吸附剂吸附以及水淋洗等。

5.3 工艺过程

MOCVD 的标准工艺过程包括以下主要步骤：

衬底准备

：选择合适的衬底（如蓝宝石、Si、GaAs 等），经过严格的化学清洗和表面处理，去除污染物和氧化物。

装片与密封

：将衬底安装在石墨基座上，密封反应室，进行泄漏检查。

系统吹扫

：通入高纯惰性气体（如 N₂）或还原性气体（如 H₂），吹扫系统，去除氧气和水汽。

升温稳定

：将衬底加热到生长温度（通常为 500-1200℃，取决于生长材料），稳定温度和气流量。

外延生长

：通入金属有机源和氢化物，在衬底表面发生热分解反应，进行外延生长。通过精确控制各气源的流量、时间和温度，实现复杂结构的外延生长。

降温取片

：生长结束后，停止通入源气体，在保护气氛下降温至室温，取出样品。

MOCVD 的生长速率通常为 0.1-10μm/h，介于 MBE 和 LPE 之间，适合生长复杂结构和超薄层。

5.4 材料与气体

MOCVD 使用的源材料主要有两类：

金属有机化合物

：Ⅲ 族元素的有机化合物，如 TMGa（三甲基镓）、TEGa（三乙基镓）、TMIn（三甲基铟）、TMAl（三甲基铝）等。

氢化物

：Ⅴ 族元素的氢化物，如 AsH₃（砷烷）、PH₃（磷烷）、NH₃（氨气）等。

掺杂剂也包括金属有机化合物（如 Cp₂Mg：二茂镁、DEZn：二乙基锌）和氢化物（如 SiH₄：硅烷、H₂Se：硒烷）两类。

MOCVD 使用大量的气体，包括：

载气

：高纯 H₂是最常用的载气，有时也使用 N₂或 He。

源气体

：金属有机源和氢化物源，通常用 H₂稀释后使用。

保护气

：高纯 N₂常用于系统吹扫和保护。

反应气

：如 NH₃用于生长氮化物。

5.5 应用领域

MOCVD 技术由于其卓越的 versatility和可扩展性，已经成为化合物半导体外延生长的主导技术，主要应用领域包括：

光电子器件

：GaN 基蓝、绿、白光 LED 和激光器是 MOCVD 最重要的应用领域，占商业化 MOCVD 系统的绝大多数。2025 年最新推出的 Prismo UniMax™ MOCVD 设备专为高性能 Mini LED 量产而设计，在同一系统中可配备多达 4 个反应腔，通过石墨盘晶片排布的最优化，其加工容量可以延伸到生长 164 片 4 英寸或 72 片 6 英寸晶片，帮助 LED 芯片制造商提高产能同时降低生产成本。

功率电子器件

：GaN 和 SiC 基高电子迁移率晶体管（HEMT）和功率二极管，用于高效功率转换系统。国内企业通过自研外延炉降低了工艺波动，实现了衬底 - 外延 - 器件一体化生产，使外延成本降低 20%。

光伏器件

：GaAs 多结太阳能电池，用于空间电源和聚光光伏系统。

射频电子器件

：GaAs 和 GaN 基微波和毫米波器件，用于无线通信和雷达系统。

量子结构

：量子阱、量子点和超晶格结构，用于新型光电子和电子器件。

MOCVD 技术的主要优势在于：适用范围广泛；非常适合生长各种异质结构；可以生长超薄外延层并获得很陡的界面过渡；生长易于控制；可以生长纯度很高的材料；外延层大面积均匀性良好；适合大规模生产。其主要挑战在于：源材料昂贵；许多源材料易燃、易爆、毒性很大；设备复杂昂贵；需要处理有害尾气。

6 技术对比与应用领域

6.1 技术对比

四种外延技术各有其独特的特点和适用领域

表：四种外延膜沉积技术的综合对比

特性MBELPEHWEMOCVD生长温度

6.2 应用领域分析

每种外延技术由于其独特的技术特点，都有其最适合的应用领域：

MBE最适合研究开发和需要原子级精度的领域：由于其卓越的控制精度和原位监测能力，MBE 在新型材料体系的基础研究、量子结构制备和高端器件研发方面具有不可替代的地位。特别是在制备需要原子级陡峭界面的超晶格、量子阱和量子点结构方面，MBE 是首选技术。90 年代后，MBE 技术生产的器件开始广泛应用于电视、手机、卫星导航仪等消费电子产品中。

LPE最适合传统器件和厚层外延：虽然 LPE 在控制精度和界面陡度方面不如 MBE 和 MOCVD，但其设备简单、成本低廉、生长速率快、晶体质量好等优势，使其在传统 LED、太阳能电池和厚层功率器件领域仍有竞争力。近年来，LPE 在低温硅外延和三维集成技术方面的新发展为其开辟了新的应用前景。

HWE最适合特殊材料体系：HWE 在生长 Ⅳ-Ⅵ 族、Ⅱ-Ⅵ 族和 Ⅴ-Ⅵ 族化合物半导体方面具有独特优势，特别是热电材料和拓扑绝缘体领域。其改进型技术还能实现纳米薄膜的外延生长，为低维材料研究提供了有力工具。

MOCVD最适合商业化生产和复杂结构：MOCVD 技术结合了精确控制和规模化生产的优势，已经成为化合物半导体光电子器件（特别是 GaN 基 LED 和激光器）制造的主导技术。最新的 MOCVD 设备如 Prismo UniMax™通过多反应腔设计和优化的石墨盘排布，大幅提升了 Mini LED 等新型显示技术的生产效率。其在大面积均匀性、复杂结构生长和规模化生产方面的优势，使其成为商业化生产的最佳选择。

6.3 技术选择考虑因素

选择合适的外延技术时，需要考虑多个因素：

材料体系

：不同技术适合不同的材料体系。MBE 适合砷化物、锑化物等；MOCVD 适合氮化物、磷化物等；LPE 适合砷化物、磷化物等；HWE 适合碲化物、硒化物等。

器件要求

：对于需要原子级陡峭界面和复杂量子结构的研发型器件，MBE 是首选；对于需要大面积均匀性和批量生产的商业化器件，MOCVD 更合适。

成本考虑

：MBE 设备和运行成本最高；MOCVD 次之，但通过国产设备和规模化生产可降低成本约 20%；HWE 中等；LPE 最低。需要权衡性能和成本之间的关系。

技术成熟度

：MOCVD 和 MBE 技术成熟度高，技术支持和完善的设备生态系统；LPE 技术成熟但逐渐被替代；HWE 技术相对专一。

环境安全

：MOCVD 使用的源材料多为易燃易爆有毒物质，需要严格的安全措施；MBE 使用的固态源相对安全；LPE 和 HWE 使用的源材料也需要注意安全处理。

外延膜沉积技术是现代半导体技术的核心和基础，四种主要技术 ——MBE、LPE、HWE 和 MOCVD—— 各有其独特的技术特点、优势和应用领域。

MBE 以其原子级控制精度和卓越的界面质量在研究和高端器件领域占据不可替代的地位，其发明者卓以和开创的原子层控制方法彻底改变了半导体制造精度；LPE 以其简单经济的特点在传统器件和厚层外延领域仍有价值，并且在低温硅外延和三维集成等新方向上焕发活力；HWE 在特殊材料体系如热电材料和拓扑绝缘体方面具有独特优势；MOCVD 则以其综合优势成为商业化生产特别是光电子器件领域的主导技术，最新设备已实现多反应腔和大尺寸晶片加工能力。

作者：Semi Dance

来源：芯片测试赵工