Epitaksiyel katmanlar yarı iletken cihazlara nasıl yardımcı olur?

Epitaksiyel gofret adının kökeni

Öncelikle küçük bir konsepti yaygınlaştıralım: levha hazırlama iki ana bağlantıyı içerir: substrat hazırlama ve epitaksiyel işlem. Substrat, yarı iletken tek kristal malzemeden yapılmış bir levhadır. Substrat, yarı iletken cihazlar üretmek için doğrudan levha üretim sürecine girebilir veya epitaksiyel levhalar üretmek için epitaksiyel işlemlerle işlenebilir. Epitaksi, kesme, taşlama, cilalama vb. yöntemlerle dikkatli bir şekilde işlenmiş tek kristalli bir substrat üzerinde yeni bir tek kristal katmanının büyütülmesi sürecini ifade eder. Yeni tek kristal, substratla aynı malzeme olabilir veya başka bir kristal olabilir. farklı malzeme (homojen) epitaksi veya heteroepitaksi). Yeni tek kristal katman, alt tabakanın kristal fazına göre genişleyip büyüdüğü için buna epitaksiyel katman adı verilir (kalınlık genellikle birkaç mikrondur, örnek olarak silikon alınır: silikon epitaksiyel büyümesinin anlamı silikon tekli bir kristal üzerindedir). Belirli bir kristal oryantasyonuna sahip kristal substrat. Substrat büyüdükçe aynı kristal oryantasyonuna sahip, iyi kafes yapısı bütünlüğüne ve farklı direnç ve kalınlığa sahip bir kristal tabakası ve epitaksiyel katmana sahip substrat, epitaksiyel gofret (epitaksiyel gofret =) olarak adlandırılır. epitaksiyel katman + substrat). Cihaz epitaksiyel tabaka üzerine yapıldığında buna pozitif epitaksi denir. Cihaz altlık üzerine yapılıyorsa buna ters epitaksi denir. Şu anda epitaksiyel katman yalnızca destekleyici bir rol oynamaktadır.

Cilalı gofret

Epitaksiyel büyüme yöntemleri

Moleküler ışın epitaksi (MBE): Ultra yüksek vakum koşulları altında gerçekleştirilen yarı iletken epitaksiyel büyüme teknolojisidir. Bu teknikte, kaynak malzeme bir atom veya molekül demeti formunda buharlaştırılır ve daha sonra kristalin bir substrat üzerine biriktirilir. MBE, biriktirilen malzemenin kalınlığını atomik seviyede hassas bir şekilde kontrol edebilen, çok hassas ve kontrol edilebilir bir yarı iletken ince film büyütme teknolojisidir.
Metal organik CVD (MOCVD): MOCVD işleminde, gerekli elementleri içeren organik metal ve hidrit gazı N gazı, uygun sıcaklıkta alt tabakaya verilir, gerekli yarı iletken malzemeyi oluşturmak için kimyasal reaksiyona girer ve alt tabaka üzerinde biriktirilir. kalan bileşikler ve reaksiyon ürünleri boşaltılırken.
Buhar fazı epitaksi (VPE): Buhar fazı epitaksi, yarı iletken cihazların üretiminde yaygın olarak kullanılan önemli bir teknolojidir. Temel prensip, elementel maddelerin veya bileşiklerin buharını bir taşıyıcı gaz içinde taşımak ve kimyasal reaksiyonlar yoluyla kristalleri substrat üzerinde biriktirmektir.

Epitaksi işlemi hangi sorunları çözer?

Çeşitli yarı iletken cihazların imalatında artan ihtiyaçları yalnızca toplu tek kristal malzemeler karşılayamaz. Bu nedenle, ince katmanlı tek kristalli malzeme büyütme teknolojisi olan epitaksiyel büyüme 1959'un sonunda geliştirildi. Peki epitaksi teknolojisinin malzemelerin ilerlemesine ne gibi özel katkıları var?

Silikon için, silikon epitaksiyel büyüme teknolojisi başladığında, silikon yüksek frekanslı ve yüksek güçlü transistörlerin üretimi gerçekten zor bir dönemdi. Transistör prensipleri açısından bakıldığında yüksek frekans ve yüksek güç elde etmek için kolektör bölgesinin arıza geriliminin yüksek, seri direncinin küçük olması yani doyma gerilim düşümünün küçük olması gerekmektedir. Birincisi, toplama alanındaki malzemenin direncinin yüksek olmasını gerektirirken, ikincisi, toplama alanındaki malzemenin direncinin düşük olmasını gerektirir. İki il birbiriyle çelişiyor. Kolektör alanındaki malzemenin kalınlığı seri direnci azaltmak için azaltılırsa silikon levha işlenemeyecek kadar ince ve kırılgan olacaktır. Malzemenin özdirenci azalırsa birinci şartla çelişecektir. Ancak epitaksiyel teknolojinin gelişimi başarılı oldu. bu zorluğu çözdü.

Çözüm: Son derece düşük dirençli bir alt tabaka üzerinde yüksek dirençli bir epitaksiyel katman büyütün ve cihazı epitaksiyel katman üzerinde yapın. Bu yüksek dirençli epitaksiyel katman, tüpün yüksek bir kırılma voltajına sahip olmasını sağlarken, düşük dirençli alt tabaka da alt tabakanın direncini azaltır, böylece doyma voltajı düşüşünü azaltır ve böylece ikisi arasındaki çelişkiyi çözer.

Ek olarak, GaAs ve diğer III-V, II-VI ve diğer moleküler bileşik yarı iletken malzemelerin buhar fazı epitaksisi ve sıvı fazı epitaksisi gibi epitaksi teknolojileri de büyük ölçüde geliştirildi ve çoğu mikrodalga cihazının, optoelektronik cihazın, güç kaynağının temeli haline geldi. Cihazların üretimi için vazgeçilmez bir proses teknolojisidir, özellikle moleküler ışın ve metal organik buhar fazı epitaksi teknolojisinin ince katmanlarda, süper örgülerde, kuantum kuyularında, gergin süper örgülerde ve atomik düzeyde ince katmanda başarılı bir şekilde uygulanmasıdır. Yarı iletken araştırmalarında yeni bir adım olan epitaksi. “Enerji kuşağı mühendisliğinin” bu alandaki gelişimi sağlam bir temel attı.

Pratik uygulamalarda, geniş bant aralıklı yarı iletken cihazlar hemen hemen her zaman epitaksiyel katman üzerinde yapılır ve silikon karbür levhanın kendisi yalnızca alt tabaka olarak hizmet eder. Bu nedenle epitaksiyel katmanın kontrolü geniş bant aralıklı yarı iletken endüstrisinin önemli bir parçasıdır.

Epitaksi teknolojisinde 7 temel beceri

1. Yüksek (düşük) dirençli epitaksiyel katmanlar, düşük (yüksek) dirençli alt tabakalar üzerinde epitaksiyel olarak büyütülebilir.
2. N (P) tipi epitaksiyel katman, doğrudan bir PN bağlantısı oluşturmak için P (N) tipi substrat üzerinde epitaksiyel olarak büyütülebilir. Tek bir kristal substrat üzerinde PN bağlantısı yapmak için difüzyon yöntemini kullanırken herhangi bir telafi sorunu yoktur.
3. Maske teknolojisi ile birlikte belirlenen alanlarda seçici epitaksiyel büyüme gerçekleştirilerek entegre devrelerin ve özel yapılara sahip cihazların üretimi için koşullar yaratılır.
4. Epitaksiyel büyüme sürecinde ihtiyaçlara göre katkının türü ve konsantrasyonu değiştirilebilir. Konsantrasyondaki değişiklik ani bir değişiklik veya yavaş bir değişiklik olabilir.
5. Heterojen, çok katmanlı, çok bileşenli bileşikleri ve değişken bileşenlere sahip ultra ince katmanları büyütebilir.
6. Epitaksiyel büyüme, malzemenin erime noktasından daha düşük bir sıcaklıkta gerçekleştirilebilir, büyüme hızı kontrol edilebilir ve atom düzeyinde kalınlıkta epitaksiyel büyüme elde edilebilir.
7. GaN, üçüncül ve dördüncül bileşiklerin tek kristal katmanları vb. gibi çekilemeyen tek kristal malzemeleri büyütebilir.