Bagaimana lapisan epitaksi membantu perangkat semikonduktor?

Asal usul nama wafer epitaksial

Pertama, mari kita mempopulerkan konsep kecil: persiapan wafer mencakup dua kaitan utama: persiapan substrat dan proses epitaksi. Substratnya adalah wafer yang terbuat dari bahan kristal tunggal semikonduktor. Substrat dapat langsung masuk ke proses pembuatan wafer untuk menghasilkan perangkat semikonduktor, atau dapat diproses dengan proses epitaksi untuk menghasilkan wafer epitaksi. Epitaksi mengacu pada proses menumbuhkan lapisan kristal tunggal baru pada substrat kristal tunggal yang telah diproses secara cermat dengan cara memotong, menggiling, memoles, dll. Kristal tunggal baru dapat berupa bahan yang sama dengan substrat, atau dapat berupa a epitaksi material yang berbeda (homogen) atau heteroepitaxy). Karena lapisan kristal tunggal baru memanjang dan tumbuh sesuai dengan fase kristal substrat, maka disebut lapisan epitaksial (ketebalannya biasanya beberapa mikron, dengan mengambil silikon sebagai contoh: arti pertumbuhan epitaksial silikon adalah pada silikon tunggal substrat kristal dengan orientasi kristal tertentu. Lapisan kristal dengan integritas struktur kisi yang baik serta resistivitas dan ketebalan yang berbeda dengan orientasi kristal yang sama dengan substrat yang ditumbuhkan), dan substrat dengan lapisan epitaksi disebut wafer epitaksi (epitaksi wafer = lapisan epitaksi + substrat). Bila alat tersebut dibuat pada lapisan epitaksi disebut epitaksi positif. Jika perangkat dibuat pada media, itu disebut epitaksi terbalik. Saat ini, lapisan epitaksi hanya berperan sebagai pendukung.

Wafer yang dipoles

Metode pertumbuhan epitaksi

Epitaksi berkas molekul (MBE): Ini adalah teknologi pertumbuhan epitaksi semikonduktor yang dilakukan dalam kondisi vakum sangat tinggi. Dalam teknik ini, bahan sumber diuapkan dalam bentuk berkas atom atau molekul dan kemudian diendapkan pada substrat kristal. MBE adalah teknologi pertumbuhan film tipis semikonduktor yang sangat presisi dan terkendali yang secara tepat dapat mengontrol ketebalan material yang diendapkan pada tingkat atom.
CVD organik logam (MOCVD): Dalam proses MOCVD, logam organik dan gas N gas hidrida yang mengandung unsur-unsur yang diperlukan disuplai ke substrat pada suhu yang sesuai, mengalami reaksi kimia untuk menghasilkan bahan semikonduktor yang diperlukan, dan diendapkan pada substrat menyala, sedangkan sisa senyawa dan produk reaksi dibuang.
Epitaksi fase uap (VPE): Epitaksi fase uap adalah teknologi penting yang biasa digunakan dalam produksi perangkat semikonduktor. Prinsip dasarnya adalah mengangkut uap unsur atau senyawa dalam gas pembawa, dan menyimpan kristal pada substrat melalui reaksi kimia.

Masalah apa yang dipecahkan oleh proses epitaksi?

Hanya bahan kristal tunggal dalam jumlah besar yang tidak dapat memenuhi kebutuhan manufaktur berbagai perangkat semikonduktor yang terus meningkat. Oleh karena itu, pertumbuhan epitaksi, teknologi pertumbuhan material kristal tunggal lapis tipis, dikembangkan pada akhir tahun 1959. Lalu, kontribusi spesifik apa yang dimiliki teknologi epitaksi terhadap kemajuan material?

Untuk silikon, ketika teknologi pertumbuhan epitaksi silikon dimulai, itu benar-benar merupakan masa yang sulit untuk produksi transistor silikon frekuensi tinggi dan daya tinggi. Dari sudut pandang prinsip transistor, untuk memperoleh frekuensi tinggi dan daya tinggi, tegangan tembus pada daerah kolektor harus tinggi dan resistansi seri harus kecil, yaitu penurunan tegangan saturasi harus kecil. Yang pertama mengharuskan resistivitas material di area pengumpulan harus tinggi, sedangkan yang kedua mensyaratkan resistivitas material di area pengumpulan harus rendah. Kedua provinsi ini saling bertolak belakang. Jika ketebalan material di area kolektor dikurangi untuk mengurangi resistansi seri, wafer silikon akan menjadi terlalu tipis dan rapuh untuk diproses. Jika resistivitas material berkurang, hal ini akan bertentangan dengan persyaratan pertama. Namun perkembangan teknologi epitaksi telah berhasil. memecahkan kesulitan ini.

Solusi: Kembangkan lapisan epitaksi dengan resistivitas tinggi pada substrat dengan resistansi sangat rendah, dan buat perangkat pada lapisan epitaksi. Lapisan epitaksi resistivitas tinggi ini memastikan bahwa tabung memiliki tegangan tembus yang tinggi, sedangkan substrat dengan resistansi rendah Ini juga mengurangi resistansi substrat, sehingga mengurangi penurunan tegangan saturasi, sehingga menyelesaikan kontradiksi di antara keduanya.

Selain itu, teknologi epitaksi seperti epitaksi fase uap dan epitaksi fase cair GaAs dan bahan semikonduktor senyawa molekul III-V, II-VI dan lainnya juga telah berkembang pesat dan telah menjadi dasar bagi sebagian besar perangkat gelombang mikro, perangkat optoelektronik, listrik. Ini adalah teknologi proses yang sangat diperlukan untuk produksi perangkat, terutama keberhasilan penerapan teknologi epitaksi berkas molekul dan fase uap organik logam pada lapisan tipis, superlattice, sumur kuantum, superlattice tegang, dan level atom. epitaksi lapisan tipis, yang merupakan langkah baru dalam penelitian semikonduktor. Perkembangan “rekayasa sabuk energi” di lapangan telah meletakkan landasan yang kokoh.

Dalam aplikasi praktis, perangkat semikonduktor celah pita lebar hampir selalu dibuat pada lapisan epitaksi, dan wafer silikon karbida itu sendiri hanya berfungsi sebagai substrat. Oleh karena itu, kontrol lapisan epitaksi merupakan bagian penting dari industri semikonduktor celah pita lebar.

7 keterampilan utama dalam teknologi epitaksi

1. Lapisan epitaksi dengan resistensi tinggi (rendah) dapat ditumbuhkan secara epitaksi pada substrat dengan resistensi rendah (tinggi).
2. Lapisan epitaksi tipe N (P) dapat ditumbuhkan secara epitaksi pada substrat tipe P (N) untuk membentuk sambungan PN secara langsung. Tidak ada masalah kompensasi saat menggunakan metode difusi untuk membuat sambungan PN pada substrat kristal tunggal.
3. Dikombinasikan dengan teknologi topeng, pertumbuhan epitaksi selektif dilakukan di area tertentu, menciptakan kondisi untuk produksi sirkuit terpadu dan perangkat dengan struktur khusus.
4. Jenis dan konsentrasi doping dapat diubah sesuai kebutuhan selama proses pertumbuhan epitaksi. Perubahan konsentrasi dapat terjadi secara tiba-tiba maupun perubahan secara perlahan.
5. Dapat menumbuhkan senyawa heterogen, berlapis-lapis, multi-komponen dan lapisan ultra-tipis dengan komponen bervariasi.
6. Pertumbuhan epitaksi dapat dilakukan pada suhu yang lebih rendah dari titik leleh bahan, laju pertumbuhan dapat dikontrol, dan pertumbuhan epitaksi dengan ketebalan tingkat atom dapat dicapai.
7. Dapat menumbuhkan bahan kristal tunggal yang tidak dapat ditarik, seperti GaN, lapisan kristal tunggal senyawa tersier dan kuaterner, dll.