Miten epitaksikerrokset auttavat puolijohdelaitteita?

Nimen epitaksiaalivohveli alkuperä

Aluksi popularisoidaan pieni konsepti: kiekkojen valmistus sisältää kaksi päälinkkiä: substraatin valmistelu ja epitaksiaaliprosessi. Substraatti on puolijohde-yksikidemateriaalista valmistettu kiekko. Substraatti voi mennä suoraan kiekkojen valmistusprosessiin puolijohdelaitteiden valmistamiseksi, tai se voidaan käsitellä epitaksiaalisilla prosesseilla epitaksiaalisten kiekkojen tuottamiseksi. Epitaksia tarkoittaa prosessia, jossa kasvatetaan uusi yksikidekerros yksikidealustalle, joka on huolellisesti käsitelty leikkaamalla, hiomalla, kiillottamalla jne. Uusi yksikide voi olla samaa materiaalia kuin substraatti tai se voi olla eri materiaalinen (homogeeninen) epitaksi tai heteroepitaksi). Koska uusi yksikidekerros laajenee ja kasvaa substraatin kidefaasin mukaan, sitä kutsutaan epitaksikerrokseksi (paksuus on yleensä muutama mikronia, esimerkkinä pii: piin epitaksiaalikasvun merkitys on piisinglessä kidesubstraatti, jolla on tietty kideorientaatio, kidekerros, jolla on hyvä hilarakenteen eheys ja eri resistiivisyys ja paksuus samassa kideorientaatiossa kuin substraatti, ja substraatti, jossa on epitaksiaalista kerrosta kutsutaan epitaksiaaliseksi kiekoksi (epitaksiaaltolevy = epitaksiaalinen kerros + substraatti). Kun laite valmistetaan epitaksiaaliselle kerrokselle, sitä kutsutaan positiiviseksi epitaksiaksi. Jos laite on valmistettu alustalle, sitä kutsutaan käänteiseksi epitaksiaksi. Tällä hetkellä epitaksiaalisella kerroksella on vain tukeva rooli.

Kiillotettu kiekko

Epitaksiaaliset kasvumenetelmät

Molecular beam epitaxy (MBE): Se on puolijohteiden epitaksiaalinen kasvuteknologia, joka suoritetaan ultrakorkeassa tyhjiöolosuhteissa. Tässä tekniikassa lähdemateriaali haihdutetaan atomien tai molekyylien säteen muodossa ja kerrostetaan sitten kiteiselle alustalle. MBE on erittäin tarkka ja hallittava puolijohdeohutkalvon kasvuteknologia, jolla voidaan tarkasti ohjata kerrostetun materiaalin paksuutta atomitasolla.
Metalliorgaaninen CVD (MOCVD): MOCVD-prosessissa orgaaninen metalli ja hydridikaasu N-kaasu, joka sisältää tarvittavat alkuaineet, syötetään substraattiin sopivassa lämpötilassa, läpikäyvät kemiallisen reaktion vaaditun puolijohdemateriaalin muodostamiseksi ja kerrostetaan alustalle. päällä, samalla kun jäljellä olevat yhdisteet ja reaktiotuotteet poistuvat.
Höyryfaasiepitaksi (VPE): Höyryfaasiepitaksi on tärkeä tekniikka, jota käytetään yleisesti puolijohdelaitteiden tuotannossa. Perusperiaatteena on kuljettaa alkuaineaineiden tai yhdisteiden höyryä kantajakaasussa ja kerrostaa kiteitä substraatille kemiallisten reaktioiden kautta.

Mitä ongelmia epitaksiprosessi ratkaisee?

Ainoastaan ​​bulkkikidemateriaalit eivät pysty vastaamaan erilaisten puolijohdelaitteiden valmistuksen kasvaviin tarpeisiin. Siksi epitaksiaalinen kasvu, ohutkerroksinen yksikidemateriaalin kasvatustekniikka, kehitettiin vuoden 1959 lopussa. Mikä konkreettinen panos epitaksiteknologialla on siis materiaalien kehitykseen?

Piille, kun piin epitaksiaalinen kasvuteknologia alkoi, se oli todella vaikea aika korkeataajuisten ja suuritehoisten piitransistorien valmistukseen. Transistoriperiaatteiden näkökulmasta korkean taajuuden ja suuren tehon saavuttamiseksi kollektorialueen läpilyöntijännitteen on oltava korkea ja sarjaresistanssin on oltava pieni, eli kyllästysjännitehäviön on oltava pieni. Ensimmäinen edellyttää, että materiaalin resistiivisyys keräysalueella on korkea, kun taas jälkimmäinen edellyttää, että materiaalin resistiivisyys keräysalueella on pieni. Nämä kaksi maakuntaa ovat ristiriidassa keskenään. Jos materiaalin paksuutta keräinalueella pienennetään sarjavastuksen pienentämiseksi, piikiekko on liian ohut ja hauras käsiteltäväksi. Jos materiaalin ominaisvastus pienenee, se on ristiriidassa ensimmäisen vaatimuksen kanssa. Epitaksiaalitekniikan kehitys on kuitenkin onnistunut. ratkaisi tämän vaikeuden.

Ratkaisu: Kasvaa korkearesistanssinen epitaksiaalinen kerros äärimmäisen pieniresistanssiiselle alustalle ja tee laite epitaksiaalisen kerroksen päälle. Tämä korkearesistanssinen epitaksiaalinen kerros varmistaa, että putkessa on korkea läpilyöntijännite, kun taas matalaresistanssiisella alustalla Se myös vähentää substraatin vastusta, mikä vähentää kyllästymisjännitteen pudotusta, mikä ratkaisee näiden kahden välisen ristiriidan.

Lisäksi epitaksiteknologioita, kuten GaAs:n ja muiden III-V, II-VI ja muiden molekyyliyhdisteiden puolijohdemateriaalien höyryfaasiepitaksia ja nestefaasiepitaksia, on myös kehitetty suuresti ja niistä on tullut perusta useimmille mikroaaltouunilaitteille, optoelektronisille laitteille, teholle. Se on välttämätön prosessitekniikka laitteiden valmistuksessa, erityisesti molekyylisuihku- ja metalliorgaanisen höyryfaasin epitaksiteknologian menestyksekkäässä soveltamisessa ohuissa kerrokset, superhilat, kvanttikuopat, jännittyneet superhilat ja atomitason ohutkerrosepitaksia, joka on uusi askel puolijohdetutkimuksessa. Alan ”energiahihnatekniikan” kehittäminen on luonut vankan perustan.

Käytännön sovelluksissa laajakaistaiset puolijohdelaitteet valmistetaan lähes aina epitaksiaaliselle kerrokselle, ja piikarbidikiekko itse toimii vain alustana. Siksi epitaksiaalikerroksen ohjaus on tärkeä osa laajakaistaista puolijohdeteollisuutta.

7 tärkeää taitoa epitaksitekniikassa

1. Korkean (pienen) resistanssin epitaksiaalikerroksia voidaan kasvattaa epitaksiaalisesti matalan (korkean) resistanssin substraateilla.
2. N (P) -tyypin epitaksiaalinen kerros voidaan epitaksiaalisesti kasvattaa P (N) -tyypin substraatilla PN-liitoksen muodostamiseksi suoraan. Kompensointiongelmaa ei ole käytettäessä diffuusiomenetelmää PN-liitoksen tekemiseen yksikidealustalle.
3. Yhdessä maskitekniikan kanssa selektiivinen epitaksiaalinen kasvu suoritetaan määrätyillä alueilla, mikä luo edellytykset integroitujen piirien ja erityisrakenteisten laitteiden tuotannolle.
4. Dopingin tyyppiä ja pitoisuutta voidaan muuttaa tarpeen mukaan epitaksiaalisen kasvuprosessin aikana. Keskittymisen muutos voi olla äkillinen muutos tai hidas muutos.
5. Se voi kasvattaa heterogeenisiä, monikerroksisia, monikomponenttisia yhdisteitä ja erittäin ohuita kerroksia, joissa on vaihtelevia komponentteja.
6. Epitaksiaalinen kasvu voidaan suorittaa lämpötilassa, joka on alhaisempi kuin materiaalin sulamispiste, kasvunopeus on säädettävissä ja voidaan saavuttaa atomitason paksuuden epitaksiaalinen kasvu.
7. Se voi kasvattaa yksikidemateriaaleja, joita ei voida vetää, kuten GaN, tertiääristen ja kvaternaaristen yhdisteiden yksikidekerroksia jne.