Kaip epitaksiniai sluoksniai padeda puslaidininkiniams įtaisams?

Epitaksinės plokštelės pavadinimo kilmė

Pirma, išpopuliarinkime nedidelę koncepciją: plokštelių paruošimas apima dvi pagrindines grandis: substrato paruošimą ir epitaksinį procesą. Pagrindas yra plokštelė, pagaminta iš puslaidininkinės monokristalinės medžiagos. Substratas gali tiesiogiai patekti į plokštelių gamybos procesą, kad būtų pagaminti puslaidininkiniai įtaisai, arba jis gali būti apdorojamas epitaksiniais procesais, kad būtų pagamintos epitaksinės plokštelės. Epitaksija reiškia naujo vieno kristalo sluoksnio auginimą ant vieno kristalo pagrindo, kuris buvo kruopščiai apdorotas pjaustant, šlifuojant, poliruojant ir kt. Naujas monokristalas gali būti iš tos pačios medžiagos kaip ir substratas, arba gali būti skirtingos medžiagos (homogeninė) epitaksija arba heteroepitaksija). Kadangi naujas vieno kristalo sluoksnis tęsiasi ir auga pagal substrato kristalinę fazę, jis vadinamas epitaksiniu sluoksniu (storis paprastai yra keli mikronai, pavyzdžiui, silicį: silicio epitaksinio augimo reikšmė yra ant silicio singlo). kristalų substratas, turintis tam tikrą kristalų orientaciją, kristalų sluoksnis, turintis gerą gardelės struktūros vientisumą ir skirtingą varžą bei storį, kurio kristalų orientacija yra tokia pati kaip ir substratas, o substratas su epitaksinis sluoksnis vadinamas epitaksine plokštele (epitaksinė plokštelė = epitaksinis sluoksnis + substratas). Kai prietaisas pagamintas ant epitaksinio sluoksnio, jis vadinamas teigiama epitaksija. Jei prietaisas pagamintas ant pagrindo, jis vadinamas atvirkštine epitaksija. Šiuo metu epitaksinis sluoksnis atlieka tik pagalbinį vaidmenį.

Poliruotas vaflis

Epitaksinio augimo metodai

Molekulinio pluošto epitaksija (MBE): tai puslaidininkinio epitaksinio augimo technologija, atliekama itin didelio vakuumo sąlygomis. Taikant šį metodą, pradinė medžiaga išgarinama atomų arba molekulių pluošto pavidalu ir nusodinama ant kristalinio pagrindo. MBE yra labai tiksli ir kontroliuojama puslaidininkinių plonų plėvelių auginimo technologija, kuri gali tiksliai kontroliuoti nusodintos medžiagos storį atominiu lygmeniu.
Metalo organinis CVD (MOCVD): MOCVD procese organinių metalų ir hidrido dujų N dujos, kuriose yra reikiamų elementų, atitinkamoje temperatūroje tiekiamos į substratą, vyksta cheminė reakcija, kad susidarytų reikiama puslaidininkinė medžiaga, ir nusodinamos ant pagrindo. įjungiama, o likę junginiai ir reakcijos produktai išleidžiami.
Garų fazės epitaksija (VPE): Garų fazės epitaksija yra svarbi technologija, dažniausiai naudojama puslaidininkinių prietaisų gamyboje. Pagrindinis principas yra pernešti elementinių medžiagų ar junginių garus nešančiosiose dujose ir nusodinti kristalus ant substrato cheminių reakcijų metu.

Kokias problemas išsprendžia epitaksijos procesas?

Tik birios monokristalinės medžiagos negali patenkinti augančių įvairių puslaidininkinių prietaisų gamybos poreikių. Todėl 1959 m. pabaigoje buvo sukurtas epitaksinis augimas, plonasluoksnės monokristalinės medžiagos auginimo technologija. Taigi koks konkretus epitaksijos technologijos indėlis į medžiagų pažangą?

Siliciui, kai prasidėjo silicio epitaksinio augimo technologija, tai buvo tikrai sunkus laikas silicio aukšto dažnio ir didelės galios tranzistorių gamybai. Tranzistorių principų požiūriu, norint gauti aukštą dažnį ir didelę galią, kolektoriaus srities gedimo įtampa turi būti didelė, o nuoseklioji varža turi būti maža, tai yra, soties įtampos kritimas turi būti mažas. Pirmasis reikalauja, kad medžiagos savitoji varža surinkimo zonoje būtų didelė, o antroji reikalauja, kad medžiagos savitoji varža surinkimo zonoje būtų maža. Abi provincijos prieštarauja viena kitai. Jei medžiagos storis kolektoriaus srityje sumažinamas siekiant sumažinti serijos atsparumą, silicio plokštelė bus per plona ir trapi, kad ją būtų galima apdoroti. Jei medžiagos savitoji varža bus sumažinta, tai prieštaraus pirmajam reikalavimui. Tačiau epitaksinės technologijos plėtra buvo sėkminga. išsprendė šį sunkumą.

Sprendimas: užauginkite didelės varžos epitaksinį sluoksnį ant ypač mažo atsparumo pagrindo ir padarykite įrenginį ant epitaksinio sluoksnio. Šis didelės varžos epitaksinis sluoksnis užtikrina, kad vamzdis turi didelę gedimo įtampą, o mažos varžos substratas Jis taip pat sumažina pagrindo atsparumą, taip sumažindamas soties įtampos kritimą ir taip išsprendžia prieštaravimą tarp jų.

Be to, epitaksijos technologijos, tokios kaip GaAs ir kitų III-V, II-VI ir kitų molekulinių junginių puslaidininkinių medžiagų epitaksijos garų fazė ir skystosios fazės epitaksija, taip pat buvo labai išplėtotos ir tapo daugelio mikrobangų prietaisų, optoelektroninių prietaisų, galios pagrindu. Tai yra nepakeičiama proceso technologija gaminant prietaisus, ypač sėkmingai taikant molekulinio pluošto ir metalo organinės garų fazės epitaksijos technologiją plonose sluoksniai, supergardelės, kvantiniai šuliniai, įtemptos supergardelės ir atominio lygio plonasluoksnė epitaksija, kuri yra naujas žingsnis puslaidininkių tyrime. „Energijos juostų inžinerijos“ plėtra šioje srityje padėjo tvirtą pagrindą.

Praktikoje plačios juostos puslaidininkiniai įtaisai beveik visada gaminami ant epitaksinio sluoksnio, o pati silicio karbido plokštelė tarnauja tik kaip substratas. Todėl epitaksinio sluoksnio valdymas yra svarbi plačios juostos puslaidininkių pramonės dalis.

7 pagrindiniai epitaksijos technologijos įgūdžiai

1. Didelio (mažo) atsparumo epitaksiniai sluoksniai gali būti epitaksiškai auginami ant mažo (didelio) atsparumo substratų.
2. N (P) tipo epitaksinis sluoksnis gali būti epitaksiniu būdu auginamas ant P (N) tipo substrato, kad susidarytų tiesiogiai PN sandūra. Naudojant difuzijos metodą PN jungtis ant vieno kristalo pagrindo, nėra kompensavimo problemų.
3. Derinant su kaukių technologija, tam skirtose vietose atliekamas selektyvus epitaksinis auginimas, sukuriant sąlygas gaminti specialios struktūros integrinius grandynus ir įrenginius.
4. Dopingo rūšis ir koncentracija gali būti keičiama pagal poreikį epitaksinio augimo proceso metu. Koncentracijos pokytis gali būti staigus arba lėtas pokytis.
5. Jis gali išauginti nevienalyčius, daugiasluoksnius, daugiakomponentinius junginius ir itin plonus sluoksnius su kintamomis sudedamosiomis dalimis.
6. Epitaksinis augimas gali būti atliekamas žemesnėje nei medžiagos lydymosi temperatūra, augimo greitis yra kontroliuojamas ir galima pasiekti atominio lygio storio epitaksinį augimą.
7. Jis gali auginti monokristalines medžiagas, kurių negalima traukti, pvz., GaN, tretinių ir ketvirtinių junginių monokristalinius sluoksnius ir kt.