لایه های اپیتاکسیال چگونه به دستگاه های نیمه هادی کمک می کنند؟

منشاء نام ویفر اپیتاکسیال

ابتدا، بیایید یک مفهوم کوچک را رایج کنیم: آماده سازی ویفر شامل دو پیوند اصلی است: آماده سازی بستر و فرآیند اپیتاکسیال. بستر یک ویفر ساخته شده از مواد نیمه هادی تک کریستال است. بستر می‌تواند مستقیماً وارد فرآیند تولید ویفر برای تولید دستگاه‌های نیمه‌رسانا شود، یا می‌توان آن را با فرآیندهای اپیتاکسی برای تولید ویفرهای همبسته پردازش کرد. اپیتاکسی به فرآیند رشد یک لایه جدید از تک کریستال بر روی یک بستر تک کریستالی گفته می شود که با برش، آسیاب، پرداخت و غیره به دقت پردازش شده است. تک کریستال جدید می تواند همان ماده زیرلایه باشد یا می تواند یک مواد مختلف (همگن) اپیتاکسی یا هترواپیتاکسی). از آنجایی که لایه تک کریستالی جدید مطابق با فاز کریستالی زیرلایه گسترش می یابد و رشد می کند، به آن لایه اپیتاکسیال می گویند (ضخامت آن معمولاً چند میکرون است، به عنوان مثال سیلیکون را در نظر می گیریم: منظور از رشد اپیتاکسی سیلیکون روی یک سیلیکون منفرد است. بستر کریستالی با جهت گیری کریستالی مشخص یک لایه کریستالی با یکپارچگی ساختار شبکه ای و مقاومت و ضخامت متفاوت با همان جهت گیری کریستالی همانطور که بستر رشد می کند)، و بستری که لایه همپایی دارد ویفر اپیتاکسیال نامیده می شود (ویفر اپیتاکسی = لایه همپایی + بستر). هنگامی که دستگاه بر روی لایه اپیتاکسیال ساخته می شود به آن اپیتاکسی مثبت می گویند. اگر دستگاه بر روی بستر ساخته شود به آن اپیتاکسی معکوس می گویند. در این زمان، لایه اپیتاکسیال فقط نقش حمایتی را ایفا می کند.

ویفر جلا داده شده

روش های رشد اپیتاکسیال

اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE): این یک فناوری رشد همپایه نیمه هادی است که در شرایط خلاء فوق العاده بالا انجام می شود. در این تکنیک، ماده منبع به شکل پرتوی از اتم ها یا مولکول ها تبخیر می شود و سپس بر روی یک بستر کریستالی رسوب می کند. MBE یک فناوری رشد لایه نازک نیمه هادی بسیار دقیق و قابل کنترل است که می تواند ضخامت مواد ته نشین شده را در سطح اتمی به طور دقیق کنترل کند.
فلز آلی CVD (MOCVD): در فرآیند MOCVD، فلز آلی و گاز هیدرید N حاوی عناصر مورد نیاز در دمای مناسب به زیرلایه عرضه می شود، تحت یک واکنش شیمیایی برای تولید مواد نیمه هادی مورد نیاز قرار می گیرد و بر روی بستر رسوب می کند. در حالی که ترکیبات و محصولات واکنش باقی مانده تخلیه می شوند.
اپیتاکسی فاز بخار (VPE): اپیتاکسی فاز بخار یک فناوری مهم است که معمولاً در تولید دستگاه های نیمه هادی استفاده می شود. اصل اساسی انتقال بخار مواد یا ترکیبات عنصری در یک گاز حامل و رسوب کریستال ها بر روی بستر از طریق واکنش های شیمیایی است.

فرآیند اپیتاکسی چه مشکلاتی را حل می کند؟

فقط مواد تک کریستال حجیم نمی توانند نیازهای رو به رشد تولید دستگاه های نیمه هادی مختلف را برآورده کنند. بنابراین، رشد اپیتاکسی، یک فناوری رشد مواد تک کریستال نازک، در پایان سال 1959 توسعه یافت. بنابراین، فناوری اپیتاکسی چه سهم خاصی در پیشرفت مواد دارد؟

برای سیلیکون، زمانی که فناوری رشد اپیتاکسیال سیلیکون آغاز شد، واقعاً زمان سختی برای تولید ترانزیستورهای سیلیکونی با فرکانس بالا و توان بالا بود. از منظر اصول ترانزیستور برای بدست آوردن فرکانس بالا و توان بالا باید ولتاژ شکست ناحیه کلکتور زیاد و مقاومت سری کم باشد یعنی افت ولتاژ اشباع کم باشد. اولی مستلزم آن است که مقاومت ماده در منطقه جمع آوری باید زیاد باشد، در حالی که دومی مستلزم آن است که مقاومت ماده در منطقه جمع آوری باید کم باشد. این دو استان با هم متضاد هستند. اگر ضخامت ماده در ناحیه کلکتور برای کاهش مقاومت سری کاهش یابد، ویفر سیلیکونی برای پردازش بسیار نازک و شکننده خواهد بود. اگر مقاومت ماده کاهش یابد، با شرط اول در تضاد خواهد بود. با این حال، توسعه فناوری اپیتاکسیال موفقیت آمیز بوده است. این مشکل را حل کرد

راه حل: یک لایه اپیتاکسیال با مقاومت بالا روی یک بستر با مقاومت بسیار کم رشد دهید و دستگاه را روی لایه همپایی بسازید. این لایه اپیتاکسیال با مقاومت بالا تضمین می کند که لوله دارای ولتاژ شکست بالا است، در حالی که بستر با مقاومت کم مقاومت زیرلایه را کاهش می دهد و در نتیجه افت ولتاژ اشباع را کاهش می دهد و در نتیجه تضاد بین این دو را برطرف می کند.

علاوه بر این، فناوری‌های اپیتاکسی مانند اپیتاکسی فاز بخار و اپیتاکسی فاز مایع GaAs و سایر مواد نیمه‌رسانای III-V، II-VI و سایر مواد ترکیبی مولکولی نیز بسیار توسعه یافته‌اند و پایه‌ای برای اکثر دستگاه‌های مایکروویو، دستگاه‌های الکترونیک نوری، قدرت شده‌اند. این یک فناوری فرآیندی ضروری برای تولید دستگاه‌ها است، به‌ویژه کاربرد موفقیت‌آمیز پرتوهای مولکولی و فناوری اپیتاکسی فاز بخار آلی فلزی در لایه‌های نازک، ابرشبکه‌ها، چاه‌های کوانتومی، ابرشبکه‌های کرنش‌شده و اپیتاکسی لایه نازک در سطح اتمی، که گام جدیدی در تحقیقات نیمه‌رسانا است. توسعه "مهندسی کمربند انرژی" در این زمینه پایه و اساس محکمی را ایجاد کرده است.

در کاربردهای عملی، دستگاه‌های نیمه‌رسانای پهن باند تقریباً همیشه بر روی لایه اپیتاکسیال ساخته می‌شوند و خود ویفر کاربید سیلیکون فقط به عنوان بستر عمل می‌کند. بنابراین، کنترل لایه اپیتاکسیال بخش مهمی از صنعت نیمه هادی باندگپ گسترده است.

7 مهارت اصلی در فناوری اپیتاکسی

1. لایه های اپیتاکسیال با مقاومت بالا (کم) را می توان به صورت همپایی روی بسترهای با مقاومت کم (بالا) رشد داد.
2. لایه همپایی نوع N (P) را می توان به صورت همبستگی بر روی بستر نوع P (N) رشد داد تا یک اتصال PN را مستقیماً تشکیل دهد. هنگام استفاده از روش انتشار برای ایجاد اتصال PN روی یک بستر تک کریستالی مشکل جبران وجود ندارد.
3. همراه با تکنولوژی ماسک، رشد اپیتاکسیال انتخابی در مناطق تعیین شده انجام می شود و شرایطی را برای تولید مدارهای مجتمع و دستگاه هایی با ساختار خاص ایجاد می کند.
4. نوع و غلظت دوپینگ را می توان با توجه به نیاز در طول فرآیند رشد اپیتاکسیال تغییر داد. تغییر در تمرکز می تواند یک تغییر ناگهانی یا یک تغییر آهسته باشد.
5. می تواند ترکیبات ناهمگن، چند لایه، چند جزئی و لایه های فوق العاده نازک با اجزای متغیر رشد دهد.
6. رشد اپیتاکسیال را می توان در دمای کمتر از نقطه ذوب ماده انجام داد، سرعت رشد قابل کنترل است و رشد همپایه ضخامت سطح اتمی را می توان به دست آورد.
7. می تواند مواد تک کریستالی را که قابل کشیدن نیستند رشد دهد، مانند GaN، لایه های تک کریستالی از ترکیبات سوم و چهارم و غیره.