Как епитаксиалните слоеве помагат на полупроводниковите устройства?

Произходът на името епитаксиална пластина

Първо, нека популяризираме една малка концепция: подготовката на пластини включва две основни връзки: подготовка на субстрата и епитаксиален процес. Субстратът е пластина, изработена от полупроводников монокристален материал. Субстратът може директно да влезе в процеса на производство на пластини за производство на полупроводникови устройства или може да бъде обработен чрез епитаксиални процеси за производство на епитаксиални пластини. Епитаксията се отнася до процеса на отглеждане на нов слой монокристал върху монокристален субстрат, който е внимателно обработен чрез рязане, шлайфане, полиране и т.н. Новият монокристал може да бъде от същия материал като субстрата или може да бъде различен материал (хомогенна) епитаксия или хетероепитаксия). Тъй като новият монокристален слой се разширява и расте в съответствие с кристалната фаза на субстрата, той се нарича епитаксиален слой (дебелината обикновено е няколко микрона, като се вземе силиций като пример: значението на силициевия епитаксиален растеж е върху силициев единичен слой кристален субстрат с определена кристална ориентация Отглежда се слой от кристал с добра решетъчна структура и различно съпротивление и дебелина със същата кристална ориентация като субстрата). и субстратът с епитаксиалния слой се нарича епитаксиална пластина (епитаксиална пластина = епитаксиален слой + субстрат). Когато устройството е направено върху епитаксиалния слой, това се нарича положителна епитаксия. Ако устройството е направено върху субстрата, това се нарича обратна епитаксия. По това време епитаксиалният слой играе само поддържаща роля.

Полирана вафла

Методи за епитаксиален растеж

Молекулярно-лъчева епитаксия (MBE): Това е технология за епитаксиален растеж на полупроводници, изпълнявана при условия на свръхвисок вакуум. При тази техника изходният материал се изпарява под формата на сноп от атоми или молекули и след това се отлага върху кристален субстрат. MBE е много прецизна и контролируема технология за растеж на полупроводников тънък филм, която може прецизно да контролира дебелината на отложения материал на атомно ниво.
Металоорганичен CVD (MOCVD): В процеса MOCVD органичният метал и хидриден газ N газ, съдържащ необходимите елементи, се подават към субстрата при подходяща температура, претърпяват химическа реакция за генериране на необходимия полупроводников материал и се отлагат върху субстрата включено, докато останалите съединения и реакционните продукти се изхвърлят.
Епитаксия с газова фаза (VPE): Епитаксия с газова фаза е важна технология, която обикновено се използва в производството на полупроводникови устройства. Основният принцип е да се транспортират парите на елементарни вещества или съединения в газ-носител и да се отложат кристали върху субстрата чрез химични реакции.

Какви проблеми решава процесът на епитаксия?

Само насипни монокристални материали не могат да отговорят на нарастващите нужди от производство на различни полупроводникови устройства. Ето защо, епитаксиалното израстване, технология за израстване на тънкослоен монокристален материал, е разработена в края на 1959 г. И така, какъв конкретен принос има епитаксиалната технология за напредъка на материалите?

За силиция, когато започна технологията за епитаксиален растеж на силиций, беше наистина трудно време за производството на силициеви високочестотни и мощни транзистори. От гледна точка на транзисторните принципи, за да се получи висока честота и висока мощност, пробивното напрежение на колекторната област трябва да е високо и серийното съпротивление трябва да е малко, тоест спадът на напрежението на насищане трябва да е малък. Първото изисква съпротивлението на материала в събирателната зона да е високо, докато второто изисква съпротивлението на материала в събирателната зона да е ниско. Двете провинции са в противоречие една с друга. Ако дебелината на материала в областта на колектора се намали, за да се намали серийното съпротивление, силиконовата пластина ще бъде твърде тънка и крехка, за да бъде обработена. Ако съпротивлението на материала се намали, това ще противоречи на първото изискване. Развитието на епитаксиалната технология обаче е успешно. разреши тази трудност.

Решение: Отглеждайте епитаксиален слой с високо съпротивление върху субстрат с изключително ниско съпротивление и направете устройството върху епитаксиалния слой. Този епитаксиален слой с високо съпротивление гарантира, че тръбата има високо напрежение на пробив, докато субстратът с ниско съпротивление също така намалява съпротивлението на субстрата, като по този начин намалява спада на напрежението на насищане, като по този начин разрешава противоречието между двете.

В допълнение, технологиите за епитаксия като епитаксия в парна фаза и епитаксия в течна фаза на GaAs и други III-V, II-VI и други молекулярни съставни полупроводникови материали също са силно развити и са станали основа за повечето микровълнови устройства, оптоелектронни устройства, мощност Това е незаменима технологична технология за производство на устройства, особено успешното прилагане на технологията за епитаксия на тънки слоеве с молекулярни лъчи и метални органични пари, суперрешетки, квантови ямки, напрегнати суперрешетки и тънкослойна епитаксия на атомно ниво, което е нова стъпка в изследванията на полупроводниците. Развитието на „инженерството на енергийни колани“ в областта постави солидна основа.

В практическите приложения широкозонните полупроводникови устройства почти винаги се правят върху епитаксиалния слой, а самата пластина от силициев карбид служи само като субстрат. Следователно, контролът на епитаксиалния слой е важна част от полупроводниковата индустрия с широка зона.

7 основни умения в технологията на епитаксия

1. Епитаксиалните слоеве с висока (ниска) устойчивост могат да бъдат епитаксиално отгледани върху субстрати с ниска (висока) устойчивост.
2. Епитаксиалният слой тип N (P) може да бъде епитаксиално отгледан върху субстрат тип P (N), за да се образува директно PN преход. Няма проблем с компенсацията, когато се използва методът на дифузия за създаване на PN преход върху монокристален субстрат.
3. В комбинация с технологията на маската се извършва селективен епитаксиален растеж в определени зони, създавайки условия за производство на интегрални схеми и устройства със специална структура.
4. Типът и концентрацията на допинга могат да се променят според нуждите по време на процеса на епитаксиален растеж. Промяната в концентрацията може да бъде внезапна или бавна промяна.
5. Може да отглежда хетерогенни, многослойни, многокомпонентни съединения и ултратънки слоеве с променливи компоненти.
6. Епитаксиалният растеж може да се извърши при температура, по-ниска от точката на топене на материала, скоростта на растеж може да се контролира и може да се постигне епитаксиален растеж на дебелина на атомно ниво.
7. Може да отглежда монокристални материали, които не могат да бъдат изтеглени, като GaN, монокристални слоеве от третични и кватернерни съединения и др.