كيف تساعد الطبقات الفوقي أجهزة أشباه الموصلات؟

أصل اسم الرقاقة الفوقي

أولاً، دعونا ننشر مفهومًا صغيرًا: يتضمن إعداد الرقاقة رابطين رئيسيين: إعداد الركيزة والعملية الفوقي. الركيزة عبارة عن رقاقة مصنوعة من مادة بلورية أحادية أشباه الموصلات. يمكن للركيزة أن تدخل مباشرة في عملية تصنيع الرقاقة لإنتاج أجهزة أشباه الموصلات، أو يمكن معالجتها عن طريق العمليات الفوقي لإنتاج الرقائق الفوقي. يشير Epitaxy إلى عملية زراعة طبقة جديدة من البلورة المفردة على ركيزة بلورية واحدة تمت معالجتها بعناية عن طريق القطع والطحن والتلميع وما إلى ذلك. يمكن أن تكون البلورة المفردة الجديدة هي نفس مادة الركيزة، أو يمكن أن تكون عبارة عن مادة مختلفة (متجانسة) تنضيد أو تنضيد متغاير). نظرًا لأن الطبقة البلورية المفردة الجديدة تمتد وتنمو وفقًا للمرحلة البلورية للركيزة، فإنها تسمى الطبقة الفوقية (يبلغ سمكها عادةً بضعة ميكرونات، مع أخذ السيليكون كمثال: معنى النمو الفوقي للسيليكون على طبقة مفردة من السيليكون ركيزة بلورية ذات اتجاه بلوري معين: طبقة من الكريستال تتمتع بسلامة بنية شبكية جيدة ومقاومة مختلفة وسمك مع نفس الاتجاه البلوري الذي تنمو فيه الركيزة)، وتسمى الركيزة ذات الطبقة الفوقية. الرقاقة الفوقي (الرقاقة الفوقي = الطبقة الفوقي + الركيزة). عندما يتم عمل الجهاز على الطبقة الفوقية، فإنه يسمى الفوقي الإيجابي. إذا تم تصنيع الجهاز على الركيزة، فإنه يسمى النضوج العكسي. في هذا الوقت، تلعب الطبقة الفوقي دورًا داعمًا فقط.

رقاقة مصقولة

طرق النمو الفوقي

تنضيد الشعاع الجزيئي (MBE): إنها تقنية نمو فوقي لأشباه الموصلات يتم إجراؤها في ظل ظروف فراغ عالية جدًا. في هذه التقنية، يتم تبخير المادة المصدرية على شكل شعاع من الذرات أو الجزيئات ومن ثم ترسيبها على ركيزة بلورية. MBE هي تقنية نمو الأغشية الرقيقة لأشباه الموصلات دقيقة للغاية ويمكن التحكم فيها ويمكنها التحكم بدقة في سمك المادة المترسبة على المستوى الذري.
الأمراض القلبية الوعائية المعدنية العضوية (MOCVD): في عملية MOCVD، يتم توفير المعدن العضوي وغاز الهيدريد N الذي يحتوي على العناصر المطلوبة إلى الركيزة عند درجة حرارة مناسبة، ويخضع لتفاعل كيميائي لتوليد مادة أشباه الموصلات المطلوبة، ويتم ترسيبها على الركيزة في حين يتم تفريغ المركبات ومنتجات التفاعل المتبقية.
تنضيد طور البخار (VPE): تعد تنضيد طور البخار تقنية مهمة شائعة الاستخدام في إنتاج أجهزة أشباه الموصلات. المبدأ الأساسي هو نقل بخار المواد أو المركبات الأولية في الغاز الحامل، وترسيب البلورات على الركيزة من خلال التفاعلات الكيميائية.

ما هي المشاكل التي تحلها عملية الفوقية؟

فقط المواد البلورية المفردة السائبة لا يمكنها تلبية الاحتياجات المتزايدة لتصنيع أجهزة أشباه الموصلات المختلفة. لذلك، تم تطوير النمو الفوقي، وهي تقنية نمو المواد البلورية أحادية الطبقة الرقيقة، في نهاية عام 1959. إذن ما هي المساهمة المحددة التي تقدمها تقنية الفوقي في تقدم المواد؟

بالنسبة للسيليكون، عندما بدأت تكنولوجيا النمو الفوقي للسيليكون، كان وقتًا عصيبًا حقًا لإنتاج ترانزستورات السيليكون عالية التردد وعالية الطاقة. من منظور مبادئ الترانزستور، للحصول على تردد عالي وطاقة عالية، يجب أن يكون جهد الانهيار لمنطقة المجمع مرتفعًا ويجب أن تكون مقاومة السلسلة صغيرة، أي أن انخفاض جهد التشبع يجب أن يكون صغيرًا. الأول يتطلب أن تكون مقاومة المادة في منطقة التجميع عالية، بينما يتطلب الأخير أن تكون مقاومة المادة في منطقة التجميع منخفضة. المحافظتان متناقضتان مع بعضهما البعض. إذا تم تقليل سمك المادة في منطقة المجمع لتقليل مقاومة السلسلة، فستكون رقاقة السيليكون رقيقة جدًا وهشة بحيث لا يمكن معالجتها. إذا تم تقليل مقاومة المادة، فسوف يتعارض ذلك مع الشرط الأول. ومع ذلك، فإن تطوير التكنولوجيا الفوقي كان ناجحا. حل هذه الصعوبة.

الحل: تنمية طبقة الفوقي عالية المقاومة على ركيزة منخفضة المقاومة للغاية، وجعل الجهاز على الطبقة الفوقي. تضمن هذه الطبقة الفوقية عالية المقاومة أن الأنبوب لديه جهد انهيار عالي، في حين أن الركيزة منخفضة المقاومة تقلل أيضًا من مقاومة الركيزة، وبالتالي تقليل انخفاض جهد التشبع، وبالتالي حل التناقض بين الاثنين.

بالإضافة إلى ذلك، تم أيضًا تطوير تقنيات الفوقية مثل الفوقية في الطور البخاري والفوقية في الطور السائل لـ GaAs وغيرها من مواد أشباه الموصلات المركبة الجزيئية III-V وII-VI بشكل كبير وأصبحت الأساس لمعظم أجهزة الموجات الدقيقة، والأجهزة الإلكترونية البصرية، والطاقة إنها تقنية عملية لا غنى عنها لإنتاج الأجهزة، وخاصة التطبيق الناجح للشعاع الجزيئي وتقنية تنضيد طور البخار العضوي المعدني في الطبقات الرقيقة والشبكات الفائقة والآبار الكمومية المتوترة. الشبكات الفائقة، والطبقة الرقيقة على المستوى الذري، وهي خطوة جديدة في أبحاث أشباه الموصلات. لقد أرسى تطوير "هندسة حزام الطاقة" في هذا المجال أساسًا متينًا.

في التطبيقات العملية، تُصنع أجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة دائمًا تقريبًا على الطبقة الفوقية، ولا تعمل رقاقة كربيد السيليكون نفسها إلا كركيزة. لذلك، يعد التحكم في الطبقة الفوقي جزءًا مهمًا من صناعة أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة الواسعة.

7 مهارات رئيسية في تقنية الفوقية

1. يمكن زراعة الطبقات الفوقية ذات المقاومة العالية (المنخفضة) فوق الفوقي على ركائز ذات مقاومة منخفضة (عالية).
2. يمكن زراعة الطبقة الفوقي من النوع N (P) بشكل فوقي على الركيزة من النوع P (N) لتكوين وصلة PN مباشرة. لا توجد مشكلة تعويض عند استخدام طريقة الانتشار لإنشاء تقاطع PN على ركيزة بلورية واحدة.
3. بالاشتراك مع تقنية القناع، يتم إجراء النمو الفوقي الانتقائي في مناطق محددة، مما يخلق الظروف الملائمة لإنتاج دوائر وأجهزة متكاملة ذات هياكل خاصة.
4. يمكن تغيير نوع وتركيز المنشطات حسب الاحتياجات أثناء عملية النمو الفوقي. يمكن أن يكون التغيير في التركيز تغييرًا مفاجئًا أو تغييرًا بطيئًا.
5. يمكنها إنتاج مركبات غير متجانسة ومتعددة الطبقات ومتعددة المكونات وطبقات رقيقة جدًا بمكونات متغيرة.
6. يمكن إجراء النمو الفوقي عند درجة حرارة أقل من نقطة انصهار المادة، ويمكن التحكم في معدل النمو، ويمكن تحقيق النمو الفوقي لسمك المستوى الذري.
7. يمكنها إنتاج مواد بلورية مفردة لا يمكن سحبها، مثل GaN، والطبقات البلورية المفردة للمركبات الثلاثية والرباعية، وما إلى ذلك.