外延，Epitaxy，源于希腊词根，Epi-：意为“在...之上”，taxy：意为“有序的排列”。所以单晶上面长单晶就是外延，那就有两种情况。
同质外延：衬底和外延层是同一种材料。在硅衬底上生长硅外延层，或在GaN衬底上生长GaN外延层。这种情况下，晶格匹配完美，难度较低。
异质外延：衬底和外延层是不同的材料。比如在硅衬底上生长GaN外延层（即GaN-on-Si），就会产生一些问题。
异质外延难点其一晶格失配，衬底和外延材料在原子层面的 “网格大小”（晶格常数）不同。在界面处会产生巨大的应力，为了释放应力，晶体中会产生大量的位错等缺陷，这些缺陷会延伸到外延层中，严重影响材料的电学性能和可靠性。
异质外延难点其二热失配，衬底和外延材料的热膨胀系数不同。生长完降温时，它们收缩或膨胀的幅度不同会在外延层产生巨大的热应力。这种应力极易导致外延薄膜龟裂、翘曲，甚至从衬底上剥落。
解决办法是缓冲层技术，这些缓冲层就像一个“中间人”，逐步地、温和地过渡晶格常数和热膨胀系数，并捕获和限制由此产生的缺陷，从而在最顶层获得高质量、无裂纹的功能外延层。
第一层AlN成核层，在硅衬底上直接生长GaN非常困难，AlN作为“媒介”，其晶格常数介于Si和GaN之间，能更好地在Si表面成核。
第二层缓冲层，通常是由AlGaN和GaN组成的超晶格结构或成分渐变层，是应力管理的起始层，逐步“吸收”和“释放”因晶格失配和热失配产生的巨大应力，防止外延膜龟裂或翘曲。
第三层Superlattice 1，第一组超晶格，通常由AlGaN/GaN或不同Al组分的AlGaN交替生长构成。这是应力管理与缺陷捕获的第一道“防线”。超晶格结构能非常有效地弯曲和终止从衬底延伸上来的位错等晶体缺陷，防止它们继续向上传播，达到初步滤波效果，将大部分缺陷“困在”这一层及以下区域。
第四层GaN高阻层，是耐压层。实际本征GaN是弱n型的，可通过掺杂C降低漏电。这是七伤拳伤人先伤己，主动引入深能级缺陷，GaN的动态电阻有它一部分原因。碳原子在GaN中扮演深能级陷阱的角色，它能“捕获”和“束缚”导电电子，使其无法自由移动参与导电，来降低漏电。所以这是实现高击穿电压的关键层，垂直方向主要电场会分布在C-GaN层中。
第五层Superlattice 2，第二组超晶格。二次滤波与终极应力释放，尽管第一层超晶格和中间的GaN层已经过滤了大量缺陷，但仍有一些会向上延伸。第二层超晶格充当“终极过滤器”，确保其上方有源区的晶体质量近乎完美。
打断下先来说点别的，你看上面外延长的那么复杂，就会有人想解决办法。所谓八仙过海各显神通，蓝宝石衬底因和GaN的晶格失配和热失配较Si小，不需要那么厚的缓冲层，省下来可都是钱啊。QST因无热失配问题，理论上达到和Si一样的外延质量也可以长薄，但从QST的相关报道看，同电压GaN on QST的外延基本和Si一样厚，分析为因QST衬底价格高，所以QST的GaN器件定位为工规和车规应用，消费类最在乎的是成本。QST可以通过和Si长一样厚或更厚的外延，而达到比硅质量更好和缺陷更少的外延，工车规还是会为此性能提升而买单的。图片里看起来蓝宝石和QST的GaN外延dislocation几乎没有，这个我存疑。
第六层图中称为Active GaN layer，功能层，实际可细分为C掺杂GaN层，channel GaN或者Undope GaN（未掺杂GaN层），和AlGaN barrier层。其中C掺杂GaN层也是承压层，但晶体质量会比下面那层好，因为又经过了一层缓冲层。沟道层channel GaN，顾名思义，形成导电沟道的层。二维电子气2DEG在barrier和channel GaN之间，由这两层生成，具体原理我也无法用通俗形象的语言解释清楚，大家自行查资料吧，但要讲讲它的特点，这是GaN能高频低Ron高性能的原因。
1. 超高面密度，单位面积内拥有的电子数量极高，比传统的硅基MOSFET高出一个数量级。这直接决定了器件能够承受的电流密度，使得GaN器件能够实现大电流能力。
2. 高电子迁移率，电子在材料中运动的“顺畅”程度。产生2DEG的极化效应是物理层面的，不需要通过引入杂质原子（ doping）来提供电子。因此，2DEG区域处于高纯度、无掺杂的GaN晶体中，电子在运动时，几乎不会与电离的杂质原子发生碰撞（电离杂质散射很弱），从而运动得非常“顺畅”。高迁移率意味着电子在电场下获得更高的速度，从而带来，第一低导通电阻，电流流动时阻碍小，导通损耗低，效率高；第二高频特性好，电子能够快速响应信号的变化，使器件适合高频应用。
3. 高饱和速度，是指电子在强电场下所能达到的最高速度。这意味着即使在很高的电场下（高电压、大电流工作时），电子也不会“速度饱和”，从而保证了器件在高压、大功率工况下依然能快速开关。
4. 2DEG被限制在二维平面内，电子被强烈地限制在GaN/AlGaN界面处一个极窄（约几个纳米）的三角形势阱中。在垂直界面方向（Z轴）的运动是量子化的，而在平行于界面方向（X-Y平面）可以自由运动。可以形成一个边界清晰、非常薄的导电通道，栅极电压对沟道电荷的控制能力可非常强，器件的开关响应速度快。
最后说说GaN为什么不用同质外延，是因为GaN在常压下没有液态相。在常压下GaN在加热到约2500°C的高温时，不会熔化，而是直接分解为镓（Ga）和氮气（N₂），这意味着不能使用类似硅的高生长速率的提拉法生长。目前GaN外延是气相生长法。外延生长其实是化学反应，A+B反应生成C和D，C为目标外延，D为气体可抽走。反应物浓度越大，反应速率就越快，气体反应物显然比液体反应物浓度低很多。简单说GaN只能使用气相法生长，生长速率太慢，而衬底需要一定的厚度和强度来支撑晶圆段的作业，那成本就太高了。
GaN外延生长的艺术，本质上就是一场与晶格失配和热失配的斗争。通过设计复杂的缓冲层结构，尽可能地阻挡、弯曲、合并这些缺陷，防止它们延伸到上方的有源区，从而在“不完美”的衬底上生长出“足够完美”的高质量功能层。
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