Ako epitaxné vrstvy pomáhajú polovodičovým zariadeniam?

Pôvod názvu epitaxná oblátka

Najprv popularizujme malý koncept: príprava plátku zahŕňa dve hlavné prepojenia: príprava substrátu a epitaxný proces. Substrát je doštička vyrobená z polovodičového monokryštálového materiálu. Substrát môže priamo vstúpiť do procesu výroby doštičiek na výrobu polovodičových zariadení alebo môže byť spracovaný epitaxnými procesmi na výrobu epitaxiálnych doštičiek. Epitaxia označuje proces pestovania novej vrstvy monokryštálu na monokryštálovom substráte, ktorý bol starostlivo spracovaný rezaním, brúsením, leštením atď. Nový monokryštál môže byť rovnaký materiál ako substrát, alebo môže byť rozdielny materiál (homogénna) epitaxia alebo heteroepitaxia). Pretože sa nová vrstva monokryštálu rozširuje a rastie podľa kryštálovej fázy substrátu, nazýva sa epitaxná vrstva (hrúbka je zvyčajne niekoľko mikrónov, pričom ako príklad berieme kremík: význam epitaxného rastu kremíka je na kremíku kryštálový substrát s určitou orientáciou kryštálu Vrstva kryštálu s dobrou integritou mriežkovej štruktúry a rôznym odporom a hrúbkou s rovnakou orientáciou kryštálov ako substrát sa pestuje) a substrát s epitaxnou vrstvou sa nazýva epitaxný plátok. (epitaxiálny plátok = epitaxná vrstva + substrát). Keď je zariadenie vyrobené na epitaxnej vrstve, nazýva sa to pozitívna epitaxia. Ak je zariadenie vyrobené na substráte, nazýva sa to reverzná epitaxia. V tomto čase hrá epitaxná vrstva iba podpornú úlohu.

Leštená oblátka

Metódy epitaxného rastu

Epitaxia molekulárneho lúča (MBE): Je to technológia polovodičového epitaxného rastu vykonávaná v podmienkach ultra vysokého vákua. Pri tejto technike sa zdrojový materiál odparuje vo forme zväzku atómov alebo molekúl a potom sa ukladá na kryštalický substrát. MBE je veľmi presná a kontrolovateľná technológia rastu polovodičových tenkých vrstiev, ktorá dokáže presne kontrolovať hrúbku naneseného materiálu na atómovej úrovni.
Metal organic CVD (MOCVD): V procese MOCVD sa organický kov a plynný hydrid N obsahujúci požadované prvky privádzajú na substrát pri vhodnej teplote, podstupujú chemickú reakciu, aby sa vytvoril požadovaný polovodičový materiál, a ukladajú sa na substrát. zapnuté, zatiaľ čo zostávajúce zlúčeniny a reakčné produkty sú vypustené.
Epitaxia v parnej fáze (VPE): Epitaxia v parnej fáze je dôležitá technológia bežne používaná pri výrobe polovodičových zariadení. Základným princípom je transport pár elementárnych látok alebo zlúčenín v nosnom plyne a ukladanie kryštálov na substrát prostredníctvom chemických reakcií.

Aké problémy rieši proces epitaxie?

Len objemové monokryštálové materiály nedokážu uspokojiť rastúce potreby výroby rôznych polovodičových zariadení. Preto bol koncom roku 1959 vyvinutý epitaxný rast, technológia rastu tenkovrstvového monokryštálového materiálu. Aký konkrétny prínos má teda technológia epitaxie k pokroku materiálov?

V prípade kremíka, keď sa začala technológia epitaxného rastu kremíka, to bolo naozaj ťažké obdobie na výrobu kremíkových vysokofrekvenčných a vysokovýkonných tranzistorov. Z hľadiska princípov tranzistorov na získanie vysokej frekvencie a vysokého výkonu musí byť prierazné napätie oblasti kolektora vysoké a sériový odpor musí byť malý, to znamená, že pokles saturačného napätia musí byť malý. Prvý vyžaduje, aby merný odpor materiálu v zbernej oblasti bol vysoký, zatiaľ čo druhý vyžaduje, aby bol odpor materiálu v zbernej oblasti nízky. Tieto dve provincie si navzájom odporujú. Ak sa hrúbka materiálu v oblasti kolektora zníži, aby sa znížil sériový odpor, kremíkový plátok bude príliš tenký a krehký na spracovanie. Ak sa odpor materiálu zníži, bude to v rozpore s prvou požiadavkou. Vývoj epitaxnej technológie bol však úspešný. vyriešil túto ťažkosť.

Riešenie: Vypestujte vysoko odolnú epitaxiálnu vrstvu na substráte s extrémne nízkym odporom a vytvorte zariadenie na epitaxiálnej vrstve. Táto epitaxná vrstva s vysokým odporom zaisťuje, že trubica má vysoké prierazné napätie, zatiaľ čo substrát s nízkym odporom tiež znižuje odpor substrátu, čím sa znižuje pokles saturačného napätia, čím sa rieši rozpor medzi nimi.

Okrem toho boli tiež značne vyvinuté technológie epitaxie, ako je epitaxia v plynnej fáze a epitaxia v kvapalnej fáze GaAs a ďalších III-V, II-VI a iných molekulárnych zlúčenín polovodičových materiálov a stali sa základom pre väčšinu mikrovlnných zariadení, optoelektronických zariadení, energie. Ide o nenahraditeľnú procesnú technológiu na výrobu zariadení, najmä úspešnú aplikáciu technológie molekulárneho lúča a kovovej organickej parnej fázy epitaxie v tenkých vrstvách, supermriežkach, kvantových vrtoch, napätých supermriežky a tenkovrstvová epitaxia na atómovej úrovni, čo je nový krok vo výskume polovodičov. Rozvoj „energetického pásového inžinierstva“ v tejto oblasti položil pevný základ.

V praktických aplikáciách sa polovodičové zariadenia so širokým pásmom takmer vždy vyrábajú na epitaxnej vrstve a samotný plátok karbidu kremíka slúži len ako substrát. Preto je kontrola epitaxnej vrstvy dôležitou súčasťou širokopásmového polovodičového priemyslu.

7 hlavných zručností v technológii epitaxie

1. Epitaxné vrstvy s vysokou (nízkou) rezistenciou možno epitaxne pestovať na substrátoch s nízkou (vysokou) rezistenciou.
2. Epitaxná vrstva typu N (P) môže byť epitaxne pestovaná na substráte typu P (N), aby sa priamo vytvorilo spojenie PN. Pri použití difúznej metódy na vytvorenie PN prechodu na monokryštálovom substráte nevzniká žiadny problém s kompenzáciou.
3. V kombinácii s technológiou masky sa na určených miestach vykonáva selektívny epitaxný rast, čím sa vytvárajú podmienky na výrobu integrovaných obvodov a zariadení so špeciálnymi štruktúrami.
4. Typ a koncentrácia dopingu sa môže meniť podľa potreby počas procesu epitaxného rastu. Zmena koncentrácie môže byť náhla zmena alebo pomalá zmena.
5. Dokáže pestovať heterogénne, viacvrstvové, viaczložkové zlúčeniny a ultratenké vrstvy s variabilnými zložkami.
6. Epitaxný rast sa môže uskutočňovať pri teplote nižšej ako je bod topenia materiálu, rýchlosť rastu je kontrolovateľná a možno dosiahnuť epitaxný rast hrúbky na úrovni atómov.
7. Dokáže pestovať monokryštálové materiály, ktoré sa nedajú ťahať, ako je GaN, monokryštálové vrstvy terciárnych a kvartérnych zlúčenín atď.