Πώς βοηθούν τα επιταξιακά στρώματα τις συσκευές ημιαγωγών;

Η προέλευση του ονόματος επιταξιακή γκοφρέτα

Αρχικά, ας διαδόσουμε μια μικρή ιδέα: η προετοιμασία γκοφρέτας περιλαμβάνει δύο βασικούς δεσμούς: προετοιμασία υποστρώματος και επιταξιακή διαδικασία. Το υπόστρωμα είναι μια γκοφρέτα κατασκευασμένη από ημιαγώγιμο μονοκρύσταλλο υλικό. Το υπόστρωμα μπορεί να εισέλθει απευθείας στη διαδικασία κατασκευής πλακιδίων για την παραγωγή συσκευών ημιαγωγών ή μπορεί να υποβληθεί σε επεξεργασία με επιταξιακές διεργασίες για την παραγωγή επιταξιακών γκοφρετών. Η επιταξία αναφέρεται στη διαδικασία ανάπτυξης ενός νέου στρώματος μονοκρυστάλλου σε ένα μονοκρυσταλλικό υπόστρωμα που έχει υποστεί προσεκτική επεξεργασία με κοπή, λείανση, στίλβωση κ.λπ. Το νέο μονοκρύσταλλο μπορεί να είναι το ίδιο υλικό με το υπόστρωμα ή μπορεί να είναι ένα διαφορετικού υλικού (ομοιογενής) επιταξία ή ετεροεπιταξία). Επειδή το νέο μονοκρυσταλλικό στρώμα εκτείνεται και αναπτύσσεται σύμφωνα με την κρυσταλλική φάση του υποστρώματος, ονομάζεται επιταξιακό στρώμα (το πάχος είναι συνήθως μερικά μικρά, λαμβάνοντας ως παράδειγμα το πυρίτιο: η έννοια της επιταξιακής ανάπτυξης πυριτίου είναι σε ένα απλό πυρίτιο κρυσταλλικό υπόστρωμα με συγκεκριμένο προσανατολισμό κρυστάλλου κρυσταλλικός προσανατολισμός καθώς αναπτύσσεται το υπόστρωμα), και το υπόστρωμα με το επιταξιακό στρώμα ονομάζεται επιταξιακό γκοφρέτα (επιταξιακή γκοφρέτα = επιταξιακή στρώση + υπόστρωμα). Όταν η συσκευή κατασκευάζεται στο επιταξιακό στρώμα, ονομάζεται θετική επιταξία. Εάν η συσκευή κατασκευάζεται πάνω στο υπόστρωμα, ονομάζεται αντίστροφη επιταξία. Αυτή τη στιγμή, το επιταξιακό στρώμα παίζει μόνο υποστηρικτικό ρόλο.

Γυαλισμένη γκοφρέτα

Μέθοδοι επιταξιακής ανάπτυξης

Μοριακή επιταξία δέσμης (MBE): Είναι μια τεχνολογία επιταξιακής ανάπτυξης ημιαγωγών που εκτελείται υπό συνθήκες εξαιρετικά υψηλού κενού. Σε αυτή την τεχνική, το αρχικό υλικό εξατμίζεται με τη μορφή μιας δέσμης ατόμων ή μορίων και στη συνέχεια εναποτίθεται σε ένα κρυσταλλικό υπόστρωμα. Το MBE είναι μια πολύ ακριβής και ελεγχόμενη τεχνολογία ανάπτυξης λεπτής μεμβράνης ημιαγωγών που μπορεί να ελέγξει με ακρίβεια το πάχος του εναποτιθέμενου υλικού σε ατομικό επίπεδο.
Μεταλλικό οργανικό CVD (MOCVD): Στη διαδικασία MOCVD, οργανικό μέταλλο και αέριο υδρίδιο N που περιέχει τα απαιτούμενα στοιχεία τροφοδοτούνται στο υπόστρωμα σε κατάλληλη θερμοκρασία, υφίστανται χημική αντίδραση για να δημιουργήσουν το απαιτούμενο υλικό ημιαγωγών και εναποτίθενται στο υπόστρωμα on, ενώ οι υπόλοιπες ενώσεις και τα προϊόντα αντίδρασης απορρίπτονται.
Επίταξη φάσης ατμού (VPE): Η επιταξία φάσης ατμού είναι μια σημαντική τεχνολογία που χρησιμοποιείται συνήθως στην παραγωγή συσκευών ημιαγωγών. Η βασική αρχή είναι η μεταφορά του ατμού στοιχειακών ουσιών ή ενώσεων σε ένα φέρον αέριο και η εναπόθεση κρυστάλλων στο υπόστρωμα μέσω χημικών αντιδράσεων.

Ποια προβλήματα λύνει η διαδικασία της επιταξίας;

Μόνο τα χύδην μονοκρυσταλλικά υλικά δεν μπορούν να καλύψουν τις αυξανόμενες ανάγκες κατασκευής διαφόρων συσκευών ημιαγωγών. Ως εκ τούτου, η επιταξιακή ανάπτυξη, μια τεχνολογία ανάπτυξης υλικού λεπτής στρώσης μονοκρυστάλλου, αναπτύχθηκε στα τέλη του 1959. Ποια συγκεκριμένη συμβολή έχει λοιπόν η τεχνολογία της επιταξίας στην πρόοδο των υλικών;

Για το πυρίτιο, όταν ξεκίνησε η τεχνολογία επιταξιακής ανάπτυξης πυριτίου, ήταν πραγματικά μια δύσκολη στιγμή για την παραγωγή τρανζίστορ πυριτίου υψηλής συχνότητας και υψηλής ισχύος. Από την άποψη των αρχών του τρανζίστορ, για να ληφθεί υψηλή συχνότητα και υψηλή ισχύς, η τάση διάσπασης της περιοχής συλλέκτη πρέπει να είναι υψηλή και η αντίσταση σειράς πρέπει να είναι μικρή, δηλαδή η πτώση τάσης κορεσμού πρέπει να είναι μικρή. Η πρώτη απαιτεί η ειδική αντίσταση του υλικού στην περιοχή συλλογής να είναι υψηλή, ενώ η δεύτερη απαιτεί η ειδική αντίσταση του υλικού στην περιοχή συλλογής να είναι χαμηλή. Οι δύο επαρχίες είναι αντιφατικές μεταξύ τους. Εάν το πάχος του υλικού στην περιοχή του συλλέκτη μειωθεί για να μειωθεί η αντίσταση σειράς, η γκοφρέτα πυριτίου θα είναι πολύ λεπτή και εύθραυστη για να υποστεί επεξεργασία. Εάν η ειδική αντίσταση του υλικού μειωθεί, θα έρχεται σε αντίθεση με την πρώτη απαίτηση. Ωστόσο, η ανάπτυξη της επιταξιακής τεχνολογίας ήταν επιτυχής. έλυσε αυτή τη δυσκολία.

Λύση: Αναπτύξτε ένα επιταξιακό στρώμα υψηλής ειδικής αντίστασης σε ένα υπόστρωμα εξαιρετικά χαμηλής αντίστασης και φτιάξτε τη συσκευή στο επιταξιακό στρώμα. Αυτό το επιταξιακό στρώμα υψηλής αντίστασης διασφαλίζει ότι ο σωλήνας έχει υψηλή τάση διάσπασης, ενώ το υπόστρωμα χαμηλής αντίστασης μειώνει επίσης την αντίσταση του υποστρώματος, μειώνοντας έτσι την πτώση τάσης κορεσμού, επιλύοντας έτσι την αντίφαση μεταξύ των δύο.

Επιπλέον, οι τεχνολογίες επιταξίας, όπως η επιταξία ατμού και η επίταση υγρής φάσης των GaAs και άλλων III-V, II-VI και άλλων μοριακών ενώσεων ημιαγωγών υλικών έχουν επίσης αναπτυχθεί σε μεγάλο βαθμό και έχουν γίνει η βάση για τις περισσότερες συσκευές μικροκυμάτων, οπτοηλεκτρονικές συσκευές, ισχύς Είναι μια απαραίτητη τεχνολογία διεργασίας για την παραγωγή συσκευών, ιδιαίτερα η επιτυχής εφαρμογή της τεχνολογίας επιτάξεως μοριακής δέσμης και μεταλλικών οργανικών ατμών σε λεπτά στρώματα, υπερδικτυώματα, κβαντικά πηγάδια, τεντωμένα υπερδικτυώματα και επιταξία λεπτού στρώματος ατομικού επιπέδου, που είναι ένα νέο βήμα στην έρευνα ημιαγωγών. Η ανάπτυξη της «μηχανικής ενεργειακών ζωνών» στον τομέα έχει θέσει γερές βάσεις.

Σε πρακτικές εφαρμογές, οι συσκευές ημιαγωγών ευρείας ζώνης κατασκευάζονται σχεδόν πάντα στο επιταξιακό στρώμα και η ίδια η γκοφρέτα καρβιδίου του πυριτίου χρησιμεύει μόνο ως υπόστρωμα. Επομένως, ο έλεγχος του επιταξιακού στρώματος είναι ένα σημαντικό μέρος της βιομηχανίας ημιαγωγών ευρείας ζώνης.

7 βασικές δεξιότητες στην τεχνολογία της επιταξίας

1. Τα επιταξιακά στρώματα υψηλής (χαμηλής) αντίστασης μπορούν να αναπτυχθούν επιταξιακά σε υποστρώματα χαμηλής (υψηλής) αντίστασης.
2. Η επιταξιακή στρώση τύπου N (P) μπορεί να αναπτυχθεί επιταξιακά στο υπόστρωμα τύπου P (N) για να σχηματίσει απευθείας σύνδεση PN. Δεν υπάρχει πρόβλημα αντιστάθμισης όταν χρησιμοποιείται η μέθοδος διάχυσης για την πραγματοποίηση μιας ένωσης PN σε ένα μονοκρυσταλλικό υπόστρωμα.
3. Σε συνδυασμό με την τεχνολογία μάσκας, εκτελείται επιλεκτική επιταξιακή ανάπτυξη σε καθορισμένους χώρους, δημιουργώντας συνθήκες για την παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και συσκευών με ειδικές κατασκευές.
4. Ο τύπος και η συγκέντρωση του ντόπινγκ μπορεί να αλλάξει ανάλογα με τις ανάγκες κατά τη διαδικασία της επιταξιακής ανάπτυξης. Η αλλαγή στη συγκέντρωση μπορεί να είναι μια ξαφνική αλλαγή ή μια αργή αλλαγή.
5. Μπορεί να αναπτύξει ετερογενείς, πολυστρωματικές ενώσεις πολλαπλών συστατικών και εξαιρετικά λεπτές στρώσεις με μεταβλητά συστατικά.
6. Η επιταξιακή ανάπτυξη μπορεί να πραγματοποιηθεί σε θερμοκρασία χαμηλότερη από το σημείο τήξης του υλικού, ο ρυθμός ανάπτυξης είναι ελεγχόμενος και μπορεί να επιτευχθεί επιταξιακή ανάπτυξη πάχους ατομικού επιπέδου.
7. Μπορεί να αναπτύξει μονοκρυσταλλικά υλικά που δεν μπορούν να έλκονται, όπως GaN, μονοκρυσταλλικά στρώματα τριτοταγών και τεταρτοταγών ενώσεων κ.λπ.