Como as camadas epitaxiais ajudam os dispositivos semicondutores?

A origem do nome wafer epitaxial

Primeiro, vamos popularizar um pequeno conceito: a preparação do wafer inclui dois elos principais: preparação do substrato e processo epitaxial. O substrato é um wafer feito de material semicondutor de cristal único. O substrato pode entrar diretamente no processo de fabricação de wafers para produzir dispositivos semicondutores ou pode ser processado por processos epitaxiais para produzir wafers epitaxiais. Epitaxia refere-se ao processo de crescimento de uma nova camada de cristal único em um substrato de cristal único que foi cuidadosamente processado por corte, moagem, polimento, etc. O novo cristal único pode ser do mesmo material que o substrato, ou pode ser um material diferente (homogêneo) epitaxia ou heteroepitaxia). Como a nova camada de cristal único se estende e cresce de acordo com a fase cristalina do substrato, ela é chamada de camada epitaxial (a espessura é geralmente de alguns mícrons, tomando o silício como exemplo: o significado do crescimento epitaxial do silício está em um silício único substrato de cristal com uma certa orientação de cristal Uma camada de cristal com boa integridade de estrutura de rede e resistividade e espessura diferentes com a mesma orientação de cristal que o substrato é cultivado), e o substrato com a camada epitaxial é chamado de wafer epitaxial (wafer epitaxial =). camada epitaxial + substrato). Quando o dispositivo é feito na camada epitaxial, é denominado epitaxia positiva. Se o dispositivo for feito sobre substrato, é chamado de epitaxia reversa. Neste momento, a camada epitaxial desempenha apenas um papel de apoio.

Bolacha polida

Métodos de crescimento epitaxial

Epitaxia por feixe molecular (MBE): É uma tecnologia de crescimento epitaxial semicondutor realizada sob condições de ultra-alto vácuo. Nesta técnica, o material de origem é evaporado na forma de um feixe de átomos ou moléculas e depois depositado num substrato cristalino. MBE é uma tecnologia de crescimento de filme fino semicondutor muito precisa e controlável que pode controlar com precisão a espessura do material depositado em nível atômico.
CVD metálico orgânico (MOCVD): No processo MOCVD, o metal orgânico e o gás hidreto N contendo os elementos necessários são fornecidos ao substrato a uma temperatura apropriada, passam por uma reação química para gerar o material semicondutor necessário e são depositados no substrato ligado, enquanto os compostos e produtos de reação restantes são descarregados.
Epitaxia em fase de vapor (VPE): A epitaxia em fase de vapor é uma tecnologia importante comumente usada na produção de dispositivos semicondutores. O princípio básico é transportar o vapor de substâncias ou compostos elementares em um gás de arraste e depositar cristais no substrato por meio de reações químicas.

Que problemas o processo de epitaxia resolve?

Somente materiais de cristal único em massa não podem atender às necessidades crescentes de fabricação de vários dispositivos semicondutores. Portanto, o crescimento epitaxial, uma tecnologia de crescimento de material de cristal único de camada fina, foi desenvolvido no final de 1959. Então, que contribuição específica a tecnologia epitaxia tem para o avanço dos materiais?

Para o silício, quando a tecnologia de crescimento epitaxial do silício começou, foi realmente um momento difícil para a produção de transistores de silício de alta frequência e alta potência. Do ponto de vista dos princípios do transistor, para obter alta frequência e alta potência, a tensão de ruptura da área do coletor deve ser alta e a resistência em série deve ser pequena, ou seja, a queda de tensão de saturação deve ser pequena. O primeiro exige que a resistividade do material na área de coleta seja alta, enquanto o último exige que a resistividade do material na área de coleta seja baixa. As duas províncias são contraditórias entre si. Se a espessura do material na área do coletor for reduzida para reduzir a resistência em série, a pastilha de silício será muito fina e frágil para ser processada. Se a resistividade do material for reduzida, isso irá contradizer o primeiro requisito. No entanto, o desenvolvimento da tecnologia epitaxial foi bem sucedido. resolveu essa dificuldade.

Solução: Cultive uma camada epitaxial de alta resistividade em um substrato de resistência extremamente baixa e faça o dispositivo na camada epitaxial. Esta camada epitaxial de alta resistividade garante que o tubo tenha uma alta tensão de ruptura, enquanto o substrato de baixa resistência também reduz a resistência do substrato, reduzindo assim a queda de tensão de saturação, resolvendo assim a contradição entre os dois.

Além disso, tecnologias de epitaxia, como epitaxia em fase de vapor e epitaxia em fase líquida de GaAs e outros materiais semicondutores de compostos moleculares III-V, II-VI, também foram bastante desenvolvidas e se tornaram a base para a maioria dos dispositivos de microondas, dispositivos optoeletrônicos, potência É uma tecnologia de processo indispensável para a produção de dispositivos, especialmente a aplicação bem-sucedida de feixe molecular e tecnologia de epitaxia em fase de vapor orgânico metálico em camadas finas, superredes, poços quânticos, superredes tensas e níveis atômicos. epitaxia de camada fina, que é um novo passo na pesquisa de semicondutores. O desenvolvimento da “engenharia do cinturão de energia” neste campo estabeleceu uma base sólida.

Em aplicações práticas, dispositivos semicondutores de banda larga são quase sempre feitos na camada epitaxial, e o próprio wafer de carboneto de silício serve apenas como substrato. Portanto, o controle da camada epitaxial é uma parte importante da indústria de semicondutores de banda larga.

7 principais habilidades em tecnologia epitaxia

1. Camadas epitaxiais de alta (baixa) resistência podem ser cultivadas epitaxialmente em substratos de baixa (alta) resistência.
2. A camada epitaxial do tipo N (P) pode ser cultivada epitaxialmente no substrato do tipo P (N) para formar uma junção PN diretamente. Não há problema de compensação quando se utiliza o método de difusão para fazer uma junção PN em um substrato de cristal único.
3. Aliado à tecnologia de máscaras, o crescimento epitaxial seletivo é realizado em áreas designadas, criando condições para a produção de circuitos integrados e dispositivos com estruturas especiais.
4. O tipo e a concentração do doping podem ser alterados de acordo com as necessidades durante o processo de crescimento epitaxial. A mudança na concentração pode ser uma mudança repentina ou lenta.
5. Pode crescer compostos heterogêneos, multicamadas e multicomponentes e camadas ultrafinas com componentes variáveis.
6. O crescimento epitaxial pode ser realizado a uma temperatura inferior ao ponto de fusão do material, a taxa de crescimento é controlável e o crescimento epitaxial de espessura em nível atômico pode ser alcançado.
7. Pode cultivar materiais monocristalinos que não podem ser puxados, como GaN, camadas monocristalinas de compostos terciários e quaternários, etc.