Kā epitaksiālie slāņi palīdz pusvadītāju ierīcēm?

Nosaukuma epitaksiālā vafele izcelsme

Pirmkārt, popularizēsim nelielu koncepciju: vafeļu sagatavošana ietver divas galvenās saites: substrāta sagatavošanu un epitaksiālo procesu. Substrāts ir vafele, kas izgatavota no pusvadītāju monokristāla materiāla. Substrāts var tieši iekļūt plāksnīšu ražošanas procesā, lai ražotu pusvadītāju ierīces, vai arī to var apstrādāt ar epitaksiālos procesos, lai iegūtu epitaksiālās plāksnes. Epitaksija attiecas uz jauna monokristāla slāņa audzēšanas procesu uz monokristāla substrāta, kas ir rūpīgi apstrādāts, griežot, slīpējot, pulējot utt. Jaunais monokristāls var būt tāds pats materiāls kā substrāts, vai arī tas var būt dažāda materiāla (homogēna) epitaksija vai heteroepitaksija). Tā kā jaunais monokristāla slānis izplešas un aug atbilstoši substrāta kristāliskajai fāzei, to sauc par epitaksiālo slāni (biezums parasti ir daži mikroni, piemēram, silīciju: silīcija epitaksiālās augšanas nozīme ir uz silīcija singlu). kristāla substrāts ar noteiktu kristāla orientāciju Kristāla slānis ar labu režģa struktūras integritāti un atšķirīgu pretestību un biezumu ar tādu pašu kristāla orientāciju kā substrāts) un substrāts ar epitaksiālo slāni sauc par epitaksiālo plāksni (epitaksiālā plāksne = epitaksiālais slānis + substrāts). Ja ierīce ir izgatavota uz epitaksiskā slāņa, to sauc par pozitīvo epitaksiju. Ja ierīce ir izgatavota uz pamatnes, to sauc par apgriezto epitaksiju. Šajā laikā epitaksiālais slānis spēlē tikai atbalsta lomu.

Pulēta vafele

Epitaksiālās augšanas metodes

Molekulārā stara epitaksija (MBE): tā ir pusvadītāju epitaksijas augšanas tehnoloģija, ko veic īpaši augsta vakuuma apstākļos. Šajā tehnikā izejmateriāls tiek iztvaicēts atomu vai molekulu staru kūļa veidā un pēc tam nogulsnēts uz kristāliska substrāta. MBE ir ļoti precīza un vadāma pusvadītāju plānslāņa augšanas tehnoloģija, kas var precīzi kontrolēt nogulsnētā materiāla biezumu atomu līmenī.
Metāla organiskais CVD (MOCVD): MOCVD procesā organiskā metāla un hidrīda gāzes N gāze, kas satur nepieciešamos elementus, tiek ievadīta substrātā atbilstošā temperatūrā, tiek pakļauta ķīmiskai reakcijai, lai radītu nepieciešamo pusvadītāju materiālu, un tiek nogulsnēta uz pamatnes. ieslēgts, kamēr atlikušie savienojumi un reakcijas produkti tiek izvadīti.
Tvaika fāzes epitaksija (VPE): tvaika fāzes epitaksija ir svarīga tehnoloģija, ko parasti izmanto pusvadītāju ierīču ražošanā. Pamatprincips ir elementāru vielu vai savienojumu tvaiku transportēšana nesējgāzē un kristālu nogulsnēšana uz substrāta ķīmisku reakciju ceļā.

Kādas problēmas atrisina epitaksijas process?

Tikai lielapjoma monokristālu materiāli nevar apmierināt pieaugošās dažādu pusvadītāju ierīču ražošanas vajadzības. Tāpēc 1959. gada beigās tika izstrādāta epitaksiskā augšana, plānslāņa viena kristāla materiāla augšanas tehnoloģija. Kāds tad ir epitaksijas tehnoloģijas ieguldījums materiālu attīstībā?

Silīcijam, kad sākās silīcija epitaksiālās augšanas tehnoloģija, tas patiešām bija grūts laiks silīcija augstfrekvences un lieljaudas tranzistoru ražošanai. No tranzistora principu viedokļa, lai iegūtu augstu frekvenci un lielu jaudu, kolektora zonas pārrāvuma spriegumam jābūt augstam un sērijas pretestībai jābūt mazai, tas ir, piesātinājuma sprieguma kritumam jābūt mazam. Pirmais paredz, ka materiāla pretestībai savākšanas zonā jābūt augstai, savukārt otrajai ir jābūt zemai materiāla pretestībai savākšanas zonā. Abas provinces ir pretrunā viena otrai. Ja materiāla biezums kolektora zonā tiek samazināts, lai samazinātu sērijas pretestību, silīcija plāksne būs pārāk plāna un trausla, lai to apstrādātu. Ja materiāla pretestība ir samazināta, tas būs pretrunā ar pirmo prasību. Tomēr epitaksiālās tehnoloģijas attīstība ir bijusi veiksmīga. atrisināja šo grūtību.

Risinājums: izaudzējiet augstas pretestības epitaksiālo slāni uz īpaši zemas pretestības substrāta un izveidojiet ierīci uz epitaksiālā slāņa. Šis augstas pretestības epitaksiālais slānis nodrošina, ka caurulei ir augsts pārrāvuma spriegums, savukārt zemas pretestības substrātam Tas arī samazina substrāta pretestību, tādējādi samazinot piesātinājuma sprieguma kritumu, tādējādi atrisinot pretrunu starp abiem.

Turklāt epitaksijas tehnoloģijas, piemēram, GaAs un citu III-V, II-VI un citu molekulāro savienojumu pusvadītāju materiālu tvaika fāzes epitaksija un šķidrās fāzes epitaksija, ir arī ļoti attīstītas un ir kļuvušas par pamatu lielākajai daļai mikroviļņu ierīču, optoelektronisko ierīču, jaudas. Tā ir neaizstājama procesa tehnoloģija ierīču ražošanā, jo īpaši veiksmīgai molekulāro staru un metāla organiskās tvaika fāzes epitaksijas tehnoloģijas pielietošanai plānās slāņi, superrežģi, kvantu akas, saspīlēti superrežģi un atomu līmeņa plānslāņa epitaksija, kas ir jauns solis pusvadītāju izpētē. “Energojoslu inženierijas” attīstība šajā jomā ir ielikusi stabilu pamatu.

Praktiskā pielietojumā platas joslas pusvadītāju ierīces gandrīz vienmēr tiek izgatavotas uz epitaksiālā slāņa, un pati silīcija karbīda plāksne kalpo tikai kā substrāts. Tāpēc epitaksiālā slāņa kontrole ir svarīga plaša joslas atstarpes pusvadītāju nozares sastāvdaļa.

7 galvenās prasmes epitaksijas tehnoloģijā

1. Augstas (zemas) pretestības epitaksiālos slāņus var epitaksiāli audzēt uz zemas (augstas) pretestības substrātiem.
2. N (P) tipa epitaksiālo slāni var epitaksiāli audzēt uz P (N) tipa substrāta, lai tieši izveidotu PN savienojumu. Izmantojot difūzijas metodi, lai izveidotu PN savienojumu uz viena kristāla substrāta, nav kompensācijas problēmu.
3. Apvienojumā ar masku tehnoloģiju, tiek veikta selektīva epitaksiālā augšana noteiktās vietās, radot apstākļus integrālo shēmu un ierīču ar īpašām konstrukcijām ražošanai.
4. Dopinga veidu un koncentrāciju var mainīt atbilstoši vajadzībām epitaksiālās augšanas procesa laikā. Koncentrācijas izmaiņas var būt pēkšņas vai lēnas izmaiņas.
5. Tas var audzēt neviendabīgus, daudzslāņu, daudzkomponentu savienojumus un īpaši plānus slāņus ar mainīgām sastāvdaļām.
6. Epitaksiālo augšanu var veikt temperatūrā, kas ir zemāka par materiāla kušanas temperatūru, augšanas ātrums ir kontrolējams un var panākt atomu līmeņa biezuma epitaksiālo augšanu.
7. Tas var audzēt monokristālu materiālus, kurus nevar izvilkt, piemēram, GaN, terciāro un kvartāro savienojumu monokristālu slāņus utt.