W jaki sposób warstwy epitaksjalne pomagają urządzeniom półprzewodnikowym?

Pochodzenie nazwy płytki epitaksjalnej

Na początek spopularyzujmy małą koncepcję: przygotowanie płytki obejmuje dwa główne ogniwa: przygotowanie podłoża i proces epitaksjalny. Podłoże stanowi płytka wykonana z półprzewodnikowego materiału monokrystalicznego. Podłoże może zostać bezpośrednio wprowadzone do procesu produkcji płytek epitaksjalnych w celu wytworzenia urządzeń półprzewodnikowych lub może zostać poddane procesom epitaksjalnym w celu wytworzenia płytek epitaksjalnych. Epitaksja odnosi się do procesu wzrostu nowej warstwy monokryształu na podłożu monokrystalicznym, które zostało starannie obrobione poprzez cięcie, szlifowanie, polerowanie itp. Nowy monokryształ może być tym samym materiałem co podłoże lub może to być epitaksja lub heteroepitaksja z innego materiału (jednorodna). Ponieważ nowa warstwa monokryształu rozciąga się i rośnie zgodnie z fazą krystaliczną podłoża, nazywa się ją warstwą epitaksjalną (grubość wynosi zwykle kilka mikronów, na przykładzie krzemu: znaczenie epitaksjalnego wzrostu krzemu dotyczy pojedynczego krzemu podłoże krystaliczne o określonej orientacji kryształów Warstwa kryształu o dobrej integralności struktury sieci oraz różnej oporności i grubości przy tej samej orientacji kryształów, w jakiej rośnie podłoże), a podłoże z warstwą epitaksjalną nazywa się płytką epitaksjalną (epitaksjalną). wafel = warstwa epitaksjalna + podłoże). Gdy urządzenie jest wykonane na warstwie epitaksjalnej, nazywa się to epitaksją dodatnią. Jeśli urządzenie jest wykonane na podłożu, nazywa się to epitaksją odwrotną. W tym czasie warstwa epitaksjalna pełni jedynie rolę wspierającą.

Wafel polerowany

Metody wzrostu epitaksjalnego

Epitaksja z wiązek molekularnych (MBE): Jest to technologia epitaksjalnego wzrostu półprzewodników przeprowadzana w warunkach bardzo wysokiej próżni. W tej technice materiał źródłowy odparowuje się w postaci wiązki atomów lub cząsteczek, a następnie osadza na krystalicznym podłożu. MBE to bardzo precyzyjna i kontrolowana technologia wzrostu cienkich warstw półprzewodników, która umożliwia precyzyjną kontrolę grubości osadzanego materiału na poziomie atomowym.
Metaloorganiczne CVD (MOCVD): W procesie MOCVD metal organiczny i gazowy wodorek N zawierający wymagane pierwiastki są dostarczane do podłoża w odpowiedniej temperaturze, podlegają reakcji chemicznej w celu wytworzenia wymaganego materiału półprzewodnikowego i osadzają się na podłożu dalej, podczas gdy pozostałe związki i produkty reakcji są usuwane.
Epitaksja w fazie gazowej (VPE): Epitaksja w fazie gazowej to ważna technologia powszechnie stosowana w produkcji urządzeń półprzewodnikowych. Podstawową zasadą jest transport oparów substancji lub związków elementarnych w gazie nośnym i osadzanie kryształów na podłożu w drodze reakcji chemicznych.

Jakie problemy rozwiązuje proces epitaksji?

Tylko masowe materiały monokrystaliczne nie są w stanie sprostać rosnącym potrzebom produkcji różnych urządzeń półprzewodnikowych. Dlatego pod koniec 1959 roku opracowano wzrost epitaksjalny, czyli technologię wzrostu cienkowarstwowego materiału monokrystalicznego. Jaki więc konkretny wkład ma technologia epitaksjalna w rozwój materiałów?

W przypadku krzemu, kiedy rozpoczęła się technologia epitaksjalnego wzrostu krzemu, był to naprawdę trudny okres dla produkcji krzemowych tranzystorów wysokiej częstotliwości i dużej mocy. Z punktu widzenia zasad tranzystorów, aby uzyskać wysoką częstotliwość i dużą moc, napięcie przebicia obszaru kolektora musi być wysokie, a rezystancja szeregowa mała, to znaczy spadek napięcia nasycenia musi być mały. To pierwsze wymaga, aby opór materiału w obszarze zbiorczym był wysoki, natomiast drugie wymaga, aby opór materiału w obszarze zbiorczym był niski. Obie prowincje są ze sobą sprzeczne. Jeśli grubość materiału w obszarze kolektora zostanie zmniejszona w celu zmniejszenia rezystancji szeregowej, płytka krzemowa będzie zbyt cienka i delikatna, aby można ją było przetwarzać. Jeśli rezystywność materiału zostanie zmniejszona, będzie to sprzeczne z pierwszym wymaganiem. Jednakże rozwój technologii epitaksjalnej zakończył się sukcesem. rozwiązał tę trudność.

Rozwiązanie: Wyhoduj warstwę epitaksjalną o wysokiej rezystancji na podłożu o wyjątkowo niskiej rezystancji i wykonaj urządzenie na warstwie epitaksjalnej. Ta warstwa epitaksjalna o wysokiej rezystancji zapewnia, że ​​rura ma wysokie napięcie przebicia, podczas gdy podłoże o niskiej rezystancji Zmniejsza również rezystancję podłoża, zmniejszając w ten sposób spadek napięcia nasycenia, rozwiązując w ten sposób sprzeczność między nimi.

Ponadto technologie epitaksji, takie jak epitaksja w fazie gazowej i epitaksja w fazie ciekłej GaA i innych materiałów półprzewodnikowych III-V, II-VI i innych związków molekularnych, również zostały znacznie rozwinięte i stały się podstawą większości urządzeń mikrofalowych, urządzeń optoelektronicznych, mocy Jest to niezbędna technologia procesowa do produkcji urządzeń, zwłaszcza do pomyślnego zastosowania technologii epitaksji z wiązek molekularnych i metaloorganicznej fazy gazowej w cienkich warstwach, supersieciach, studniach kwantowych, naprężonych supersieci i epitaksja cienkowarstwowa na poziomie atomowym, co stanowi nowy krok w badaniach nad półprzewodnikami. Rozwój „inżynierii pasów energetycznych” w tej dziedzinie położył solidne podstawy.

W zastosowaniach praktycznych urządzenia półprzewodnikowe o szerokim paśmie wzbronionym są prawie zawsze wykonane na warstwie epitaksjalnej, a sama płytka z węglika krzemu służy jedynie jako podłoże. Dlatego kontrola warstwy epitaksjalnej jest ważną częścią przemysłu półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej.

7 głównych umiejętności w technologii epitaksji

1. Warstwy epitaksjalne o wysokiej (niskiej) rezystancji można hodować epitaksjalnie na podłożach o niskiej (wysokiej) rezystancji.
2. Warstwa epitaksjalna typu N (P) może być hodowana epitaksjalnie na podłożu typu P (N), tworząc bezpośrednio złącze PN. Nie ma problemu z kompensacją przy stosowaniu metody dyfuzyjnej do utworzenia złącza PN na podłożu monokrystalicznym.
3. W połączeniu z technologią masek, w wyznaczonych obszarach przeprowadza się selektywny wzrost epitaksjalny, tworząc warunki do produkcji układów scalonych i urządzeń o specjalnych konstrukcjach.
4. Rodzaj i stężenie domieszki można zmieniać w zależności od potrzeb w trakcie procesu wzrostu epitaksjalnego. Zmiana stężenia może być nagła lub powolna.
5. Może hodować heterogeniczne, wielowarstwowe, wieloskładnikowe związki i ultracienkie warstwy ze zmiennymi składnikami.
6. Wzrost epitaksjalny można przeprowadzić w temperaturze niższej niż temperatura topnienia materiału, szybkość wzrostu można kontrolować i można osiągnąć wzrost epitaksjalny o grubości na poziomie atomowym.
7. Może hodować materiały monokrystaliczne, których nie można wyciągnąć, takie jak GaN, warstwy monokrystaliczne związków trzeciorzędowych i czwartorzędowych itp.