In che modo gli strati epitassiali aiutano i dispositivi a semiconduttore?

L'origine del nome wafer epitassiale

Innanzitutto, divulghiamo un piccolo concetto: la preparazione del wafer comprende due collegamenti principali: preparazione del substrato e processo epitassiale. Il substrato è un wafer realizzato in materiale semiconduttore monocristallino. Il substrato può entrare direttamente nel processo di produzione dei wafer per produrre dispositivi a semiconduttore, oppure può essere lavorato mediante processi epitassiali per produrre wafer epitassiali. L'epitassia si riferisce al processo di crescita di un nuovo strato di cristallo singolo su un substrato di cristallo singolo che è stato accuratamente lavorato mediante taglio, molatura, lucidatura, ecc. Il nuovo cristallo singolo può essere dello stesso materiale del substrato, oppure può essere un epitassia o eteroepitassia di materiale diverso (omogeneo). Poiché il nuovo strato monocristallino si estende e cresce secondo la fase cristallina del substrato, viene chiamato strato epitassiale (lo spessore è solitamente di pochi micron, prendendo come esempio il silicio: il significato di crescita epitassiale del silicio è su un singolo strato di silicio substrato cristallino con un certo orientamento cristallino Viene cresciuto uno strato di cristallo con buona integrità della struttura reticolare e diversa resistività e spessore con lo stesso orientamento cristallino del substrato) e il substrato con lo strato epitassiale è chiamato wafer epitassiale (wafer epitassiale =. epitassiale strato+substrato). Quando il dispositivo è realizzato sullo strato epitassiale si parla di epitassia positiva. Se il dispositivo è realizzato sul substrato, si parla di epitassia inversa. In questo momento, lo strato epitassiale svolge solo un ruolo di supporto.

Cialda lucidata

Metodi di crescita epitassiale

Epitassia a fascio molecolare (MBE): è una tecnologia di crescita epitassiale di semiconduttori eseguita in condizioni di vuoto ultra-alto. In questa tecnica, il materiale sorgente viene evaporato sotto forma di un fascio di atomi o molecole e quindi depositato su un substrato cristallino. MBE è una tecnologia di crescita di film sottile di semiconduttori molto precisa e controllabile in grado di controllare con precisione lo spessore del materiale depositato a livello atomico.
CVD metallo organico (MOCVD): nel processo MOCVD, il metallo organico e il gas idruro N gas contenente gli elementi richiesti vengono forniti al substrato a una temperatura appropriata, subiscono una reazione chimica per generare il materiale semiconduttore richiesto e vengono depositati sul substrato acceso, mentre i rimanenti composti e prodotti di reazione vengono scaricati.
Epitassia in fase vapore (VPE): l'epitassia in fase vapore è un'importante tecnologia comunemente utilizzata nella produzione di dispositivi a semiconduttore. Il principio di base è trasportare il vapore di sostanze o composti elementari in un gas vettore e depositare cristalli sul substrato attraverso reazioni chimiche.

Quali problemi risolve il processo di epitassia?

Solo i materiali monocristallini sfusi non possono soddisfare le crescenti esigenze di produzione di vari dispositivi a semiconduttore. Pertanto, alla fine del 1959, è stata sviluppata la crescita epitassiale, una tecnologia di crescita del materiale monocristallino a strato sottile. Quale contributo specifico offre quindi la tecnologia epitassiale al progresso dei materiali?

Per il silicio, quando iniziò la tecnologia di crescita epitassiale del silicio, era davvero un momento difficile per la produzione di transistor in silicio ad alta frequenza e ad alta potenza. Dal punto di vista dei principi dei transistor, per ottenere alta frequenza ed elevata potenza, la tensione di rottura dell'area del collettore deve essere elevata e la resistenza in serie deve essere piccola, ovvero la caduta di tensione di saturazione deve essere piccola. Il primo richiede che la resistività del materiale nell'area di raccolta sia elevata, mentre il secondo richiede che la resistività del materiale nell'area di raccolta sia bassa. Le due province sono contraddittorie tra loro. Se lo spessore del materiale nell'area del collettore viene ridotto per ridurre la resistenza in serie, il wafer di silicio sarà troppo sottile e fragile per essere lavorato. Se la resistività del materiale viene ridotta, ciò contraddirà il primo requisito. Tuttavia, lo sviluppo della tecnologia epitassiale ha avuto successo. risolto questa difficoltà.

Soluzione: far crescere uno strato epitassiale ad alta resistività su un substrato a resistenza estremamente bassa e realizzare il dispositivo sullo strato epitassiale. Questo strato epitassiale ad alta resistività garantisce che il tubo abbia un'elevata tensione di rottura, mentre il substrato a bassa resistenza riduce anche la resistenza del substrato, riducendo così la caduta di tensione di saturazione, risolvendo così la contraddizione tra i due.

Inoltre, anche le tecnologie di epitassia come l'epitassia in fase vapore e l'epitassia in fase liquida di GaAs e altri materiali semiconduttori di composti molecolari III-V, II-VI e altri composti molecolari sono state ampiamente sviluppate e sono diventate la base per la maggior parte dei dispositivi a microonde, dispositivi optoelettronici, dispositivi di alimentazione Si tratta di una tecnologia di processo indispensabile per la produzione di dispositivi, in particolare l'applicazione di successo della tecnologia epitassia a fascio molecolare e in fase vapore organico-metallica in strati sottili, superreticoli, pozzi quantici, superreticoli deformati e livelli atomici epitassia su strato sottile, che rappresenta un nuovo passo nella ricerca sui semiconduttori. Lo sviluppo dell’“ingegneria delle cinture energetiche” nel settore ha gettato solide basi.

Nelle applicazioni pratiche, i dispositivi a semiconduttore ad ampio gap di banda sono quasi sempre realizzati sullo strato epitassiale e il wafer di carburo di silicio stesso funge solo da substrato. Pertanto, il controllo dello strato epitassiale è una parte importante dell'industria dei semiconduttori ad ampio gap di banda.

7 competenze principali nella tecnologia dell'epitassia

1. Gli strati epitassiali ad alta (bassa) resistenza possono essere cresciuti epitassialmente su substrati a bassa (alta) resistenza.
2. Lo strato epitassiale di tipo N (P) può essere cresciuto epitassialmente sul substrato di tipo P (N) per formare direttamente una giunzione PN. Non vi è alcun problema di compensazione quando si utilizza il metodo di diffusione per realizzare una giunzione PN su un substrato a cristallo singolo.
3. In combinazione con la tecnologia della maschera, la crescita epitassiale selettiva viene eseguita in aree designate, creando le condizioni per la produzione di circuiti integrati e dispositivi con strutture speciali.
4. Il tipo e la concentrazione del drogante possono essere modificati in base alle esigenze durante il processo di crescita epitassiale. Il cambiamento di concentrazione può essere un cambiamento improvviso o un cambiamento lento.
5. Può crescere composti eterogenei, multistrato, multicomponente e strati ultrasottili con componenti variabili.
6. La crescita epitassiale può essere eseguita a una temperatura inferiore al punto di fusione del materiale, la velocità di crescita è controllabile ed è possibile ottenere una crescita epitassiale di spessore a livello atomico.
7. Può far crescere materiali monocristallini che non possono essere estratti, come GaN, strati monocristallini di composti terziari e quaternari, ecc.