Hur hjälper epitaxiella lager halvledarenheter?

Ursprunget till namnet epitaxial wafer

Låt oss först popularisera ett litet koncept: waferberedning inkluderar två huvudlänkar: substratberedning och epitaxiell process. Substratet är en wafer gjord av halvledar-enkristallmaterial. Substratet kan direkt gå in i wafertillverkningsprocessen för att producera halvledaranordningar, eller så kan det bearbetas genom epitaxiella processer för att producera epitaxiella wafers. Epitaxi avser processen att odla ett nytt lager av enkristall på ett enkristallsubstrat som noggrant har bearbetats genom skärning, slipning, polering etc. Den nya enkristallen kan vara samma material som substratet, eller så kan den vara en olika material (homogen) epitaxi eller heteroepitaxi). Eftersom det nya enkristallskiktet sträcker sig och växer i enlighet med substratets kristallfas, kallas det ett epitaxiellt skikt (tjockleken är vanligtvis några mikrometer, med kisel som ett exempel: betydelsen av kiselepitaxiell tillväxt är på en kiselsingel kristallsubstrat med en viss kristallorientering Ett lager av kristall med god gitterstrukturintegritet och olika resistivitet och tjocklek med samma kristallorientering när substratet växer), och substratet med det epitaxiala lagret kallas en epitaxiell wafer (epitaxial wafer = epitaxiallager + substrat). När enheten är gjord på det epitaxiella lagret kallas det positiv epitaxi. Om enheten är gjord på substratet kallas det omvänd epitaxi. Vid denna tidpunkt spelar det epitaxiella lagret bara en stödjande roll.

Polerad oblat

Epitaxiella tillväxtmetoder

Molecular beam epitaxi (MBE): Det är en epitaxiell halvledartillväxtteknologi som utförs under ultrahöga vakuumförhållanden. I denna teknik förångas källmaterialet i form av en stråle av atomer eller molekyler och avsätts sedan på ett kristallint substrat. MBE är en mycket exakt och kontrollerbar halvledar-tunnfilmstillväxtteknologi som exakt kan kontrollera tjockleken på avsatt material på atomnivå.
Metallorganisk CVD (MOCVD): I MOCVD-processen tillförs organisk metall och hydridgas N-gas som innehåller de nödvändiga elementen till substratet vid en lämplig temperatur, genomgår en kemisk reaktion för att generera det erforderliga halvledarmaterialet och avsätts på substratet på, medan de återstående föreningarna och reaktionsprodukterna släpps ut.
Vapor phase epitaxi (VPE): Vapor phase epitaxi är en viktig teknik som vanligtvis används vid tillverkning av halvledarenheter. Grundprincipen är att transportera ångan av elementära ämnen eller föreningar i en bärargas och avsätta kristaller på substratet genom kemiska reaktioner.

Vilka problem löser epitaxiprocessen?

Endast bulk enkristallmaterial kan inte möta de växande behoven av tillverkning av olika halvledarenheter. Därför utvecklades epitaxitillväxt, en tunnlagers enkristallmaterialtillväxtteknologi, i slutet av 1959. Så vilket specifikt bidrag har epitaxiteknologin till framstegen för material?

För kisel, när tekniken för kiselepitaxiell tillväxt började, var det verkligen en svår tid för produktion av högfrekventa och högeffektstransistorer av kisel. Ur transistorprinciperna, för att erhålla hög frekvens och hög effekt, måste genombrottsspänningen i kollektorområdet vara hög och serieresistansen måste vara liten, det vill säga mättnadsspänningsfallet måste vara litet. Den förra kräver att resistiviteten hos materialet i uppsamlingsområdet ska vara hög, medan den senare kräver att resistiviteten hos materialet i uppsamlingsområdet ska vara låg. De två provinserna är motsägelsefulla till varandra. Om tjockleken på materialet i uppsamlarområdet reduceras för att minska serieresistansen blir kiselskivan för tunn och ömtålig för att kunna bearbetas. Om materialets resistivitet minskar kommer det att motsäga det första kravet. Utvecklingen av epitaxialteknologi har dock varit framgångsrik. löste denna svårighet.

Lösning: Odla ett epitaxiellt skikt med hög resistivitet på ett substrat med extremt låg resistans, och gör enheten på det epitaxiella skiktet. Detta epitaxiella skikt med hög resistivitet säkerställer att röret har en hög genombrottsspänning, medan substratet med låg resistans Det också minskar substratets resistans, vilket minskar mättnadsspänningsfallet, och löser därmed motsättningen mellan de två.

Dessutom har epitaxiteknologier såsom ångfasepitaxi och vätskefasepitaxi av GaAs och andra III-V, II-VI och andra molekylära sammansatta halvledarmaterial också utvecklats kraftigt och har blivit grunden för de flesta mikrovågsenheter, optoelektroniska enheter, kraft Det är en oumbärlig processteknik för produktion av enheter, särskilt den framgångsrika tillämpningen av molekylär stråle och metall organisk ångfas epitaxiteknologi i tunna lager, supergitter, kvantbrunnar, spända supergitter och tunnskiktsepitaxi på atomnivå, vilket är ett nytt steg i halvledarforskningen. Utvecklingen av ”energy belt engineering” inom området har lagt en solid grund.

I praktiska tillämpningar tillverkas halvledaranordningar med breda bandgap nästan alltid på det epitaxiella lagret, och själva kiselkarbidskivan tjänar bara som substrat. Därför är kontrollen av det epitaxiella lagret en viktig del av halvledarindustrin med breda bandgap.

7 stora färdigheter inom epitaxiteknik

1. Epitaxialskikt med hög (låg) resistans kan odlas epitaxiellt på substrat med låg (hög) resistans.
2. Epitaxialskiktet av N(P)-typ kan odlas epitaxiellt på substratet av P(N)-typ för att direkt bilda en PN-övergång. Det finns inga kompensationsproblem när man använder diffusionsmetoden för att göra en PN-övergång på ett enkristallsubstrat.
3. I kombination med maskteknik utförs selektiv epitaxiell tillväxt i angivna områden, vilket skapar förutsättningar för produktion av integrerade kretsar och enheter med speciella strukturer.
4. Typen och koncentrationen av dopning kan ändras efter behov under den epitaxiella tillväxtprocessen. Förändringen i koncentrationen kan vara en plötslig förändring eller en långsam förändring.
5. Det kan växa heterogena, flerskiktiga, multikomponentföreningar och ultratunna skikt med varierande komponenter.
6. Epitaxiell tillväxt kan utföras vid en temperatur som är lägre än materialets smältpunkt, tillväxthastigheten är kontrollerbar och epitaxiell tillväxt med tjocklek på atomnivå kan uppnås.
7. Det kan växa enkristallmaterial som inte kan dras, såsom GaN, enkristallskikt av tertiära och kvartära föreningar, etc.