Kako epitaksijalni slojevi pomažu poluvodičkim uređajima?

Poreklo naziva epitaksijalne pločice

Prvo, popularizirajmo mali koncept: priprema vafla uključuje dvije glavne karike: pripremu supstrata i epitaksijalni proces. Podloga je pločica napravljena od poluvodičkog monokristalnog materijala. Supstrat može direktno ući u proces proizvodnje pločica za proizvodnju poluvodičkih uređaja, ili se može obraditi epitaksijalnim procesima za proizvodnju epitaksijalnih pločica. Epitaksija se odnosi na proces uzgoja novog sloja monokristala na monokristalnoj podlozi koja je pažljivo obrađena rezanjem, brušenjem, poliranjem, itd. Novi monokristal može biti isti materijal kao i supstrat, ili može biti različitog materijala (homogena) epitaksija ili heteroepitaksija). Budući da se novi monokristalni sloj proteže i raste u skladu s kristalnom fazom supstrata, naziva se epitaksijalni sloj (debljina je obično nekoliko mikrona, uzimajući silicijum kao primjer: značenje epitaksijalnog rasta silicijuma je na silicijumskom singlu kristalni supstrat sa određenom kristalnom orijentacijom Sloj kristala sa dobrim integritetom strukture rešetke i različitom otpornošću i debljinom sa istom orijentacijom kristala kao što se uzgaja supstrat). a supstrat sa epitaksijalnim slojem naziva se epitaksijalna pločica (epitaksijalna pločica = epitaksijalni sloj + supstrat). Kada se uređaj pravi na epitaksijalnom sloju, naziva se pozitivna epitaksija. Ako je uređaj izrađen na podlozi, naziva se reverzna epitaksija. U ovom trenutku epitaksijalni sloj igra samo pomoćnu ulogu.

Polirana vafla

Metode epitaksijalnog rasta

Epitaksija molekularnim snopom (MBE): To je poluprovodnička epitaksijalna tehnologija rasta koja se izvodi u uslovima ultra visokog vakuuma. U ovoj tehnici, izvorni materijal se isparava u obliku snopa atoma ili molekula, a zatim se taloži na kristalni supstrat. MBE je vrlo precizna i kontrolisana tehnologija rasta poluvodičkog tankog filma koja može precizno kontrolirati debljinu nanesenog materijala na atomskom nivou.
Metalno organski CVD (MOCVD): U MOCVD procesu, organski metal i hidridni gas N gas koji sadrži potrebne elemente dovode se do supstrata na odgovarajućoj temperaturi, prolaze kroz hemijsku reakciju da bi se generisao potreban poluprovodnički materijal i talože se na podlogu. dok se preostali spojevi i produkti reakcije ispuštaju.
Epitaksija parne faze (VPE): Epitaksija parne faze je važna tehnologija koja se obično koristi u proizvodnji poluprovodničkih uređaja. Osnovni princip je da se pare elementarnih supstanci ili jedinjenja transportuju u gasu nosaču, a kristali deponuju na podlogu putem hemijskih reakcija.

Koje probleme rješava proces epitaksije?

Samo rasuti monokristalni materijali ne mogu zadovoljiti rastuće potrebe proizvodnje raznih poluvodičkih uređaja. Stoga je epitaksijalni rast, tehnologija rasta tankoslojnog monokristalnog materijala, razvijena krajem 1959. Dakle, kakav specifičan doprinos tehnologija epitaksije ima napretku materijala?

Za silicijum, kada je počela tehnologija epitaksijalnog rasta silicijuma, bilo je zaista teško vreme za proizvodnju silicijumskih visokofrekventnih i tranzistora velike snage. Iz perspektive principa tranzistora, da bi se dobila visoka frekvencija i velika snaga, probojni napon kolektorske površine mora biti visok, a serijski otpor mora biti mali, odnosno pad napona zasićenja mora biti mali. Prvi zahtijeva da otpornost materijala u području sakupljanja bude visoka, dok drugi zahtijeva da otpornost materijala u području sakupljanja bude niska. Dvije pokrajine su kontradiktorne jedna drugoj. Ako se debljina materijala u području kolektora smanji kako bi se smanjio serijski otpor, silikonska pločica će biti previše tanka i krhka da bi se mogla obraditi. Ako se otpornost materijala smanji, to će biti u suprotnosti s prvim zahtjevom. Međutim, razvoj epitaksijalne tehnologije bio je uspješan. rešio ovu poteškoću.

Rješenje: Uzgajati epitaksijalni sloj visoke otpornosti na supstratu ekstremno niske otpornosti i napraviti uređaj na epitaksijalnom sloju. Ovaj epitaksijalni sloj visoke otpornosti osigurava da cijev ima visok probojni napon, dok supstrat niske otpornosti također smanjuje otpor podloge, čime se smanjuje pad napona zasićenja, rješavajući na taj način kontradikciju između njih.

Osim toga, epitaksijske tehnologije kao što su epitaksija u parnoj fazi i epitaksija u tečnoj fazi GaAs i drugih III-V, II-VI i drugih molekularnih jedinjenja poluvodičkih materijala također su uvelike razvijene i postale su osnova za većinu mikrovalnih uređaja, optoelektronskih uređaja, elektroenergetskih uređaja. To je nezaobilazna procesna tehnologija za proizvodnju uređaja, a posebno uspješna primjena molekularnog snopa i tehnologije epitaksije metalne organske parne faze u tankim slojevima, superrešetke, kvantne bušotine, napregnute superrešetke i epitaksija tankog sloja na atomskom nivou, što je novi korak u istraživanju poluvodiča. Razvoj „inženjeringa energetskih pojaseva“ u ovoj oblasti je postavio čvrste temelje.

U praktičnim primenama, poluprovodnički uređaji sa širokim pojasom se gotovo uvek izrađuju na epitaksijalnom sloju, a sama pločica od silicijum karbida služi samo kao supstrat. Stoga je kontrola epitaksijalnog sloja važan dio industrije poluvodiča sa širokim pojasom.

7 glavnih vještina u tehnologiji epitaksije

1. Epitaksijalni slojevi visoke (niske) otpornosti mogu se epitaksijalno uzgajati na podlogama niske (visoke) otpornosti.
2. Epitaksijalni sloj tipa N (P) može se epitaksijalno uzgajati na supstratu tipa P (N) kako bi se direktno formirao PN spoj. Ne postoji problem kompenzacije kada se koristi metoda difuzije da se napravi PN spoj na monokristalnoj podlozi.
3. U kombinaciji sa tehnologijom maske, vrši se selektivni epitaksijalni rast u određenim područjima, stvarajući uslove za proizvodnju integrisanih kola i uređaja sa posebnim strukturama.
4. Vrsta i koncentracija dopinga mogu se mijenjati prema potrebama tokom procesa epitaksijalnog rasta. Promjena koncentracije može biti nagla promjena ili spora promjena.
5. Može rasti heterogene, višeslojne, višekomponentne spojeve i ultra tanke slojeve sa promjenjivim komponentama.
6. Epitaksijalni rast se može izvesti na temperaturi nižoj od tačke topljenja materijala, brzina rasta se može kontrolisati i može se postići epitaksijalni rast debljine na atomskom nivou.
7. Može uzgajati monokristalne materijale koji se ne mogu povući, kao što je GaN, monokristalni slojevi tercijarnih i kvartarnih jedinjenja, itd.