¿Cómo ayudan las capas epitaxiales a los dispositivos semiconductores?

El origen del nombre oblea epitaxial.

Primero, popularicemos un pequeño concepto: la preparación de obleas incluye dos vínculos principales: la preparación del sustrato y el proceso epitaxial. El sustrato es una oblea hecha de material semiconductor monocristalino. El sustrato puede ingresar directamente al proceso de fabricación de obleas para producir dispositivos semiconductores, o puede procesarse mediante procesos epitaxiales para producir obleas epitaxiales. La epitaxia se refiere al proceso de hacer crecer una nueva capa de monocristal sobre un sustrato de monocristal que ha sido cuidadosamente procesado mediante corte, esmerilado, pulido, etc. El nuevo monocristal puede ser del mismo material que el sustrato, o puede ser un material diferente (homogéneo) epitaxia o heteroepitaxia). Debido a que la nueva capa monocristalina se extiende y crece de acuerdo con la fase cristalina del sustrato, se llama capa epitaxial (el espesor suele ser de unas pocas micras, tomando el silicio como ejemplo: el significado de crecimiento epitaxial de silicio es en un monocristalino sustrato de cristal con una determinada orientación cristalina (se cultiva una capa de cristal con buena integridad de la estructura reticular y diferente resistividad y espesor con la misma orientación cristalina que el sustrato), y el sustrato con la capa epitaxial se llama oblea epitaxial. (oblea epitaxial = capa epitaxial + sustrato). Cuando el dispositivo se fabrica sobre la capa epitaxial, se denomina epitaxia positiva. Si el dispositivo se fabrica sobre un sustrato, se denomina epitaxia inversa. En este momento, la capa epitaxial sólo desempeña un papel de soporte.

Oblea pulida

Métodos de crecimiento epitaxial.

Epitaxia de haz molecular (MBE): es una tecnología de crecimiento epitaxial de semiconductores realizada en condiciones de vacío ultraalto. En esta técnica, el material fuente se evapora en forma de un haz de átomos o moléculas y luego se deposita sobre un sustrato cristalino. MBE es una tecnología de crecimiento de película delgada de semiconductores muy precisa y controlable que puede controlar con precisión el espesor del material depositado a nivel atómico.
CVD metalorgánico (MOCVD): en el proceso MOCVD, el metal orgánico y el gas hidruro N que contienen los elementos requeridos se suministran al sustrato a una temperatura adecuada, se someten a una reacción química para generar el material semiconductor requerido y se depositan sobre el sustrato. mientras se descargan los restantes compuestos y productos de reacción.
Epitaxia en fase de vapor (VPE): la epitaxia en fase de vapor es una tecnología importante comúnmente utilizada en la producción de dispositivos semiconductores. El principio básico es transportar el vapor de sustancias o compuestos elementales en un gas portador y depositar cristales sobre el sustrato mediante reacciones químicas.

¿Qué problemas resuelve el proceso de epitaxia?

Sólo los materiales monocristalinos a granel no pueden satisfacer las crecientes necesidades de fabricación de diversos dispositivos semiconductores. Por lo tanto, a finales de 1959 se desarrolló el crecimiento epitaxial, una tecnología de crecimiento de material monocristalino de capa fina. Entonces, ¿qué contribución específica tiene la tecnología de epitaxia al avance de los materiales?

Para el silicio, cuando comenzó la tecnología de crecimiento epitaxial del silicio, fue realmente un momento difícil para la producción de transistores de silicio de alta frecuencia y alta potencia. Desde la perspectiva de los principios del transistor, para obtener alta frecuencia y alta potencia, el voltaje de ruptura del área del colector debe ser alto y la resistencia en serie debe ser pequeña, es decir, la caída de voltaje de saturación debe ser pequeña. El primero requiere que la resistividad del material en el área colectora sea alta, mientras que el segundo requiere que la resistividad del material en el área colectora sea baja. Las dos provincias son contradictorias entre sí. Si se reduce el espesor del material en el área del colector para reducir la resistencia en serie, la oblea de silicio será demasiado delgada y frágil para procesarse. Si se reduce la resistividad del material, contradice el primer requisito. Sin embargo, el desarrollo de la tecnología epitaxial ha tenido éxito. resolvió esta dificultad.

Solución: haga crecer una capa epitaxial de alta resistividad sobre un sustrato de resistencia extremadamente baja y cree el dispositivo sobre la capa epitaxial. Esta capa epitaxial de alta resistividad asegura que el tubo tenga un alto voltaje de ruptura, mientras que el sustrato de baja resistencia también reduce la resistencia del sustrato, reduciendo así la caída de voltaje de saturación, resolviendo así la contradicción entre los dos.

Además, las tecnologías de epitaxia, como la epitaxia en fase de vapor y la epitaxia en fase líquida de GaAs y otros materiales semiconductores de compuestos moleculares III-V, II-VI y otros, también se han desarrollado enormemente y se han convertido en la base de la mayoría de los dispositivos de microondas, dispositivos optoelectrónicos, equipos de energía. Es una tecnología de proceso indispensable para la producción de dispositivos, especialmente la aplicación exitosa de la tecnología de epitaxia en fase de vapor orgánico metálico y de haz molecular en capas delgadas, superredes, pozos cuánticos, superredes tensadas y a nivel atómico. epitaxia de capa fina, que es un nuevo paso en la investigación de semiconductores. El desarrollo de la “ingeniería de cinturones energéticos” en este campo ha sentado una base sólida.

En aplicaciones prácticas, los dispositivos semiconductores de banda prohibida ancha casi siempre se fabrican en la capa epitaxial, y la propia oblea de carburo de silicio solo sirve como sustrato. Por lo tanto, el control de la capa epitaxial es una parte importante de la industria de semiconductores de banda ancha.

7 habilidades principales en tecnología de epitaxia

1. Las capas epitaxiales de alta (baja) resistencia se pueden cultivar epitaxialmente sobre sustratos de baja (alta) resistencia.
2. La capa epitaxial de tipo N (P) se puede hacer crecer epitaxialmente sobre el sustrato de tipo P (N) para formar una unión PN directamente. No hay problema de compensación cuando se utiliza el método de difusión para realizar una unión PN en un sustrato monocristalino.
3. Combinado con la tecnología de máscara, el crecimiento epitaxial selectivo se realiza en áreas designadas, creando las condiciones para la producción de circuitos integrados y dispositivos con estructuras especiales.
4. El tipo y concentración de dopaje se puede cambiar según las necesidades durante el proceso de crecimiento epitaxial. El cambio de concentración puede ser un cambio repentino o un cambio lento.
5. Puede cultivar compuestos heterogéneos, multicapa, multicomponentes y capas ultrafinas con componentes variables.
6. El crecimiento epitaxial se puede realizar a una temperatura inferior al punto de fusión del material, la tasa de crecimiento es controlable y se puede lograr un crecimiento epitaxial de espesor a nivel atómico.
7. Puede cultivar materiales monocristalinos que no se pueden extraer, como GaN, capas monocristalinas de compuestos terciarios y cuaternarios, etc.