新生成的单晶层犹如原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长。外延生长技术发展于20世纪50年代末60年代初。当时，为了制造高频大功率电子器件，需要减小集电极串联电阻，又要求材料能耐高压和大电流，因此需要在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等方面与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵活性和器件的性能。外延工艺还广泛用于集成电路中的PN结隔离技术和大规模集成电路中改善材料质量方面。

生长外延层有多种方法，但采用最多的是气相外延工艺。图1为硅（Si）气相外延的装置原理图。氢气（H₂）携带四氯化硅（SiCl₄）或三氯氢硅（SiHCl₃）、硅烷（SiH₄）或二氯氢硅（SiH₂Cl₂）等进入置有硅衬底的反应室，在反应室进行高温化学反应，使含硅反应气体还原或热分解，所产生的硅原子在衬底硅表面上外延生长。其主要化学反应式为：

图1 硅气相外延生长装置原理图

硅片外延生长时，常需要控制掺杂，以精确调控电阻率。N型外延层所用的掺杂剂一般为磷烷（PH₃）或三氯化磷（PCl₃）；P型的为乙硼烷（B₂H₆）或三氯化硼（BCl₃）等。 

气相外延生长常使用高频感应炉加热，衬底置于包有碳化硅、玻璃态石墨或热分解石墨的高纯石墨加热体上，然后放进石英反应器中。此外，也可以采用红外辐照加热的方法。为了制备优质的外延层，制备条件必须严格控制：①必须保证原料的纯度。对于硅外延生长，氢气必须用钯管或分子筛等加以净化，使露点在-70℃以下。②反应体系要十分严密，因为微量水汽或氧的泄漏会产生有害的影响。③为获得平整的表面，衬底必须严格抛光并防止表面有颗粒或化学物质。④在外延生长前，衬底还必须在反应管内高温下用干燥氯化氢、溴或溴化氢进行原位抛光，以减少层错缺陷。⑤为减少位错还须避免热应力对衬底的冲击，防止衬底边缘损伤等。⑥为得到厚度和掺杂浓度分布均匀，且重复性好的外延膜，还须控制反应管内温度分布，选择合适的气流模型。

对外延片质量的检查主要包括：表面质量（不应有突起点、凹坑等）、导电类型、电阻率、外延层厚度、均匀性（单片均匀性和各片间的均匀性）和缺陷密度（包括层错、位错、雾状微缺陷或小丘）等。 

外延生长是制备光电子器件广泛应用的工艺，因而该工艺得到了不断的发展。①减压外延。自掺杂现象是使用卤素化合物作源的外延过程中难以避免的现象，即从基片背面、加热体表面以及从前片向后片，都会有掺杂剂迁移到气相而再进入到外延层。自掺杂会导致外延层的杂质浓度不均匀。若将反应管中的压力降到约21千帕（160托），即可有效地减少自掺杂现象。②低温外延。为得到衬底与薄外延层之间的突变结，需要降低生长温度，以减少基片中的杂质向外延层的自扩散。采用He-SiH₄分解、SiH₂Cl₂热分解以及溅射等方法都可明显降低生长温度。③选择外延。用于制备某些具有特殊图案的器件。制备这种器件时，在衬底上加盖掩模，掩模在一定区域开有窗口。这样单晶层只在开有窗口的区域生长，而不在留有掩模的区域生长。④液相外延。将生长外延层的原料在溶剂中溶解成饱和溶液。当溶液与衬底温度相同时，将溶液覆盖在衬底上，缓慢降温，溶质按基片晶向析出单晶。这种方法常用于外延生长砷化镓等材料。⑤异质外延。衬底与外延层不是同一种物质，但其晶格和热膨胀系数比较匹配，这样就可以在一个衬底上外延生长出不同的晶膜，如在蓝宝石或尖晶石衬底上外延生长硅单晶。⑥分子束外延。这是一种最新的晶体生长技术（图2）。将衬底置于超高真空腔中，将需要生长的单晶物质按元素不同分别放在喷射炉中。每种元素加热到适当的温度，使其以分子流射出，即可生长极薄（甚至是单原子层）的单晶层和几种物质交替的超晶格结构。⑦金属有机物化学气相沉积。金属有机化合物挥发性好，易于热分解，而且很多金属元素都可以形成金属有机化合物，因而金属有机物化学气相沉积（metalorganic chemical vapor deposition; MOCVD）被广泛用于制备各种材料的外延膜。Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体的外延膜都可以用该方法生长。Ⅱ族和Ⅲ族元素用金属有机化合物为原料，Ⅵ族和Ⅴ族元素用氢化物为原料。

图2 分子束外延生长设备示意图