Bagaimanakah lapisan epitaxial membantu peranti semikonduktor?

Asal nama wafer epitaxial

Pertama, mari kita mempopularkan konsep kecil: penyediaan wafer merangkumi dua pautan utama: penyediaan substrat dan proses epitaxial. Substrat adalah wafer yang diperbuat daripada bahan kristal tunggal semikonduktor. Substrat boleh terus memasuki proses pembuatan wafer untuk menghasilkan peranti semikonduktor, atau ia boleh diproses oleh proses epitaxial untuk menghasilkan wafer epitaxial. Epitaksi merujuk kepada proses mengembangkan lapisan baru kristal tunggal pada substrat kristal tunggal yang telah diproses dengan teliti dengan memotong, mengisar, menggilap, dll. Kristal tunggal baru boleh menjadi bahan yang sama dengan substrat, atau ia boleh menjadi bahan yang berbeza (homogen) epitaksi atau heteroepitaksi). Oleh kerana lapisan kristal tunggal yang baru memanjang dan berkembang mengikut fasa kristal substrat, ia dipanggil lapisan epitaxial (ketebalan biasanya beberapa mikron, mengambil silikon sebagai contoh: maksud pertumbuhan epitaxial silikon adalah pada silikon tunggal. substrat kristal dengan orientasi kristal tertentu Lapisan kristal dengan integriti struktur kekisi yang baik dan kerintangan dan ketebalan yang berbeza dengan orientasi kristal yang sama dengan substrat yang ditanam), dan substrat dengan lapisan epitaxial dipanggil wafer epitaxial (wafer epitaxial = lapisan epitaxial + substrat). Apabila peranti dibuat pada lapisan epitaxial, ia dipanggil epitaksi positif. Jika peranti dibuat pada substrat, ia dipanggil epitaksi terbalik. Pada masa ini, lapisan epitaxial hanya memainkan peranan sokongan.

wafer yang digilap

Kaedah pertumbuhan epitaxial

Molecular beam epitaxy (MBE): Ia adalah teknologi pertumbuhan epitaxial semikonduktor yang dilakukan di bawah keadaan vakum ultra tinggi. Dalam teknik ini, bahan sumber disejatkan dalam bentuk rasuk atom atau molekul dan kemudian dimendapkan pada substrat kristal. MBE ialah teknologi pertumbuhan filem nipis semikonduktor yang sangat tepat dan boleh dikawal yang boleh mengawal ketebalan bahan termendap pada tahap atom dengan tepat.
Metal organic CVD (MOCVD): Dalam proses MOCVD, logam organik dan gas hidrida N gas yang mengandungi unsur-unsur yang diperlukan dibekalkan kepada substrat pada suhu yang sesuai, menjalani tindak balas kimia untuk menghasilkan bahan semikonduktor yang diperlukan, dan dimendapkan pada substrat hidup, manakala sebatian selebihnya dan hasil tindak balas dinyahcas.
Epitaksi fasa wap (VPE): Epitaksi fasa wap ialah teknologi penting yang biasa digunakan dalam pengeluaran peranti semikonduktor. Prinsip asasnya ialah mengangkut wap bahan atau sebatian unsur dalam gas pembawa, dan memendapkan kristal pada substrat melalui tindak balas kimia.

Apakah masalah yang diselesaikan oleh proses epitaksi?

Hanya bahan kristal tunggal pukal tidak dapat memenuhi keperluan yang semakin meningkat untuk mengeluarkan pelbagai peranti semikonduktor. Oleh itu, pertumbuhan epitaksi, teknologi pertumbuhan bahan kristal tunggal lapisan nipis, telah dibangunkan pada penghujung tahun 1959. Jadi apakah sumbangan khusus teknologi epitaksi kepada kemajuan bahan?

Bagi silikon, apabila teknologi pertumbuhan epitaxial silikon bermula, ia adalah masa yang sukar untuk pengeluaran transistor frekuensi tinggi dan berkuasa tinggi silikon. Dari perspektif prinsip transistor, untuk mendapatkan frekuensi tinggi dan kuasa tinggi, voltan pecahan kawasan pengumpul mestilah tinggi dan rintangan siri mestilah kecil, iaitu penurunan voltan tepu mestilah kecil. Yang pertama memerlukan kerintangan bahan di kawasan pengumpulan hendaklah tinggi, manakala yang kedua memerlukan kerintangan bahan di kawasan pengumpulan hendaklah rendah. Kedua-dua wilayah itu bercanggah antara satu sama lain. Jika ketebalan bahan di kawasan pengumpul dikurangkan untuk mengurangkan rintangan siri, wafer silikon akan menjadi terlalu nipis dan rapuh untuk diproses. Jika kerintangan bahan dikurangkan, ia akan bercanggah dengan keperluan pertama. Walau bagaimanapun, pembangunan teknologi epitaxial telah berjaya. menyelesaikan kesukaran ini.

Penyelesaian: Tumbuhkan lapisan epitaxial dengan rintangan tinggi pada substrat rintangan yang sangat rendah, dan buat peranti pada lapisan epitaxial. Lapisan epitaxial kerintangan tinggi ini memastikan bahawa tiub mempunyai voltan pecahan yang tinggi, manakala substrat rintangan rendah Ia juga mengurangkan rintangan substrat, dengan itu mengurangkan penurunan voltan tepu, dengan itu menyelesaikan percanggahan antara kedua-duanya.

Selain itu, teknologi epitaksi seperti epitaksi fasa wap dan epitaksi fasa cecair GaAs dan bahan semikonduktor sebatian sebatian molekul lain yang lain juga telah dibangunkan dan telah menjadi asas bagi kebanyakan peranti gelombang mikro, peranti optoelektronik, kuasa. Ia merupakan teknologi proses yang amat diperlukan untuk penghasilan peranti, terutamanya aplikasi yang berjaya bagi rasuk molekul dan teknologi epitaksi fasa wap organik logam dalam lapisan nipis, superlattices, telaga kuantum, superlattices tegang, dan epitaksi lapisan nipis peringkat atom, yang merupakan langkah baharu dalam penyelidikan semikonduktor. Pembangunan "kejuruteraan tali pinggang tenaga" dalam bidang ini telah meletakkan asas yang kukuh.

Dalam aplikasi praktikal, peranti semikonduktor celah jalur lebar hampir selalu dibuat pada lapisan epitaxial, dan wafer silikon karbida itu sendiri hanya berfungsi sebagai substrat. Oleh itu, kawalan lapisan epitaxial adalah bahagian penting dalam industri semikonduktor celah jalur lebar.

7 kemahiran utama dalam teknologi epitaksi

1. Lapisan epitaxial rintangan tinggi (rendah) boleh ditanam secara epitaxial pada substrat rintangan rendah (tinggi).
2. Lapisan epitaxial jenis N (P) boleh ditanam secara epitaxial pada substrat jenis P (N) untuk membentuk simpang PN secara langsung. Tiada masalah pampasan apabila menggunakan kaedah resapan untuk membuat persimpangan PN pada substrat kristal tunggal.
3. Digabungkan dengan teknologi topeng, pertumbuhan epitaxial terpilih dilakukan di kawasan yang ditetapkan, mewujudkan keadaan untuk pengeluaran litar bersepadu dan peranti dengan struktur khas.
4. Jenis dan kepekatan doping boleh diubah mengikut keperluan semasa proses pertumbuhan epitaxial. Perubahan kepekatan boleh menjadi perubahan mendadak atau perubahan perlahan.
5. Ia boleh tumbuh heterogen, berbilang lapisan, sebatian berbilang komponen dan lapisan ultra nipis dengan komponen berubah-ubah.
6. Pertumbuhan epitaxial boleh dilakukan pada suhu yang lebih rendah daripada takat lebur bahan, kadar pertumbuhan boleh dikawal, dan pertumbuhan epitaxial ketebalan tahap atom boleh dicapai.
7. Ia boleh menumbuhkan bahan kristal tunggal yang tidak boleh ditarik, seperti GaN, lapisan kristal tunggal sebatian tertier dan kuaternari, dsb.