Hvordan hjælper epitaksiale lag halvlederenheder?

Oprindelsen af ​​navnet epitaxial wafer

Lad os først popularisere et lille koncept: waferforberedelse omfatter to hovedled: substratforberedelse og epitaksial proces. Substratet er en wafer lavet af halvledende enkeltkrystalmateriale. Substratet kan gå direkte ind i wafer-fremstillingsprocessen for at producere halvlederenheder, eller det kan behandles ved epitaksiale processer for at producere epitaksiale wafers. Epitaksi refererer til processen med at dyrke et nyt lag af enkeltkrystal på et enkelt krystalsubstrat, der er blevet omhyggeligt behandlet ved at skære, slibe, polere osv. Den nye enkeltkrystal kan være det samme materiale som substratet, eller det kan være en forskelligt materiale (homogen) epitaksi eller heteroepitaxi). Fordi det nye enkeltkrystallag strækker sig og vokser i overensstemmelse med substratets krystalfase, kaldes det et epitaksielt lag (tykkelsen er normalt et par mikrometer, idet silicium tages som eksempel: betydningen af ​​siliciumepitaksial vækst er på en siliciumenkelt krystalsubstrat med en vis krystalorientering Et lag af krystal med god gitterstrukturintegritet og forskellig resistivitet og tykkelse med samme krystalorientering efterhånden som substratet dyrkes), og substratet med det epitaksiale lag kaldes en epitaksial wafer (epitaksial wafer = epitaksial lag + substrat). Når enheden er lavet på det epitaksiale lag, kaldes det positiv epitaksi. Hvis enheden er lavet på underlaget, kaldes det omvendt epitaksi. På dette tidspunkt spiller det epitaksiale lag kun en understøttende rolle.

Poleret oblat

Epitaksielle vækstmetoder

Molecular beam epitaxy (MBE): Det er en halvleder-epitaksial vækstteknologi, der udføres under ultrahøjvakuumforhold. I denne teknik fordampes kildematerialet i form af en stråle af atomer eller molekyler og aflejres derefter på et krystallinsk substrat. MBE er en meget præcis og kontrollerbar halvleder tyndfilm vækstteknologi, der præcist kan kontrollere tykkelsen af ​​aflejret materiale på atomniveau.
Metal organisk CVD (MOCVD): I MOCVD-processen tilføres organisk metal og hydridgas N-gas indeholdende de nødvendige elementer til substratet ved en passende temperatur, gennemgår en kemisk reaktion for at generere det nødvendige halvledermateriale og aflejres på substratet på, mens de resterende forbindelser og reaktionsprodukter udledes.
Dampfaseepitaksi (VPE): Dampfaseepitaksi er en vigtig teknologi, der almindeligvis anvendes til fremstilling af halvlederenheder. Grundprincippet er at transportere dampen af ​​elementære stoffer eller forbindelser i en bæregas og afsætte krystaller på substratet gennem kemiske reaktioner.

Hvilke problemer løser epitaksiprocessen?

Kun bulk enkeltkrystalmaterialer kan ikke opfylde de voksende behov for fremstilling af forskellige halvlederenheder. Derfor blev epitaksial vækst, en tynd-lags enkrystalmaterialevækstteknologi, udviklet i slutningen af ​​1959. Så hvilket specifikt bidrag har epitaksiteknologi til fremskridt i materialer?

For silicium, da silicium epitaksial vækstteknologi begyndte, var det virkelig en vanskelig tid for produktion af silicium højfrekvente og højeffekttransistorer. Fra transistorprincippernes perspektiv skal nedbrydningsspændingen i kollektorområdet være høj for at opnå høj frekvens og høj effekt, og seriemodstanden skal være lille, det vil sige, at mætningsspændingsfaldet skal være lille. Førstnævnte kræver, at materialets resistivitet i opsamlingsområdet skal være høj, mens sidstnævnte kræver, at materialets resistivitet i opsamlingsområdet skal være lav. De to provinser er i modstrid med hinanden. Hvis tykkelsen af ​​materialet i opsamlerområdet reduceres for at reducere seriemodstanden, vil siliciumwaferen være for tynd og skrøbelig til at blive behandlet. Hvis materialets resistivitet reduceres, vil det modsige det første krav. Udviklingen af ​​epitaksial teknologi har dog været vellykket. løst denne vanskelighed.

Løsning: Dyrk et epitaksielt lag med høj resistivitet på et ekstremt lavmodstandssubstrat, og lav enheden på det epitaksiale lag. Dette epitaksiale lag med høj resistivitet sikrer, at røret har en høj gennembrudsspænding, mens substratet med lav modstand Det også reducerer modstanden af ​​substratet, og derved reducerer mætningsspændingsfaldet, og derved løser modsætningen mellem de to.

Derudover er epitaksiteknologier såsom dampfaseepitaksi og flydende faseepitaksi af GaAs og andre III-V, II-VI og andre molekylære sammensatte halvledermaterialer også blevet stærkt udviklet og er blevet grundlaget for de fleste mikrobølgeenheder, optoelektroniske enheder, strøm Det er en uundværlig procesteknologi til fremstilling af enheder, især den vellykkede anvendelse af molekylær stråle- og metalorganisk dampfase-epitaxiteknologi i tynde lag, supergitter, kvantebrønde, spændte supergitter og tyndtlagsepitaxi på atomniveau, som er et nyt skridt i halvlederforskningen. Udviklingen af ​​"energy belt engineering" på området har lagt et solidt fundament.

I praktiske applikationer fremstilles halvlederanordninger med stort bånd næsten altid på det epitaksiale lag, og selve siliciumcarbidwaferen tjener kun som substrat. Derfor er kontrollen af ​​det epitaksiale lag en vigtig del af halvlederindustrien med brede båndgab.

7 store færdigheder inden for epitaksiteknologi

1. Epitaksiale lag med høj (lav) modstand kan dyrkes epitaksialt på substrater med lav (høj) modstand.
2. Det epitaksiale lag af N (P)-typen kan dyrkes epitaksialt på substratet af P (N)-typen for at danne en PN-forbindelse direkte. Der er intet kompensationsproblem, når diffusionsmetoden bruges til at lave en PN-forbindelse på et enkelt krystalsubstrat.
3. Kombineret med masketeknologi udføres selektiv epitaksial vækst i udpegede områder, hvilket skaber betingelser for produktion af integrerede kredsløb og enheder med specielle strukturer.
4. Typen og koncentrationen af ​​doping kan ændres efter behov under den epitaksiale vækstproces. Ændringen i koncentrationen kan være en pludselig ændring eller en langsom ændring.
5. Det kan vokse heterogene, flerlags, multi-komponent forbindelser og ultratynde lag med variable komponenter.
6. Epitaksial vækst kan udføres ved en temperatur, der er lavere end materialets smeltepunkt, væksthastigheden er kontrollerbar, og epitaksial vækst med tykkelse på atomniveau kan opnås.
7. Det kan dyrke enkeltkrystalmaterialer, der ikke kan trækkes, såsom GaN, enkeltkrystallag af tertiære og kvaternære forbindelser osv.