Як епітаксійні шари допомагають напівпровідниковим приладам?

Походження назви епітаксіальна пластина

По-перше, давайте популяризуємо невелику концепцію: підготовка пластин включає дві основні ланки: підготовку підкладки та епітаксійний процес. Підкладка являє собою пластину з напівпровідникового монокристалічного матеріалу. Субстрат може безпосередньо входити в процес виготовлення пластин для виробництва напівпровідникових пристроїв, або він може бути оброблений за допомогою епітаксійних процесів для отримання епітаксійних пластин. Епітаксія відноситься до процесу вирощування нового шару монокристала на монокристалічній підкладці, яка була ретельно оброблена шляхом різання, шліфування, полірування тощо. Новий монокристал може бути того самого матеріалу, що й підкладка, або це може бути різноматеріальна (гомогенна) епітаксія або гетероепітаксія). Оскільки новий монокристалічний шар подовжується та росте відповідно до кристалічної фази підкладки, його називають епітаксійним шаром (товщина зазвичай становить кілька мікрон, беручи як приклад кремній: сенс епітаксійного росту кремнію полягає в окремому кремнієвому шарі). кристалічна підкладка з певною орієнтацією кристала вирощується шар кристала з хорошою цілісністю решітки та різним питомим опором і товщиною з такою ж орієнтацією кристала, що й підкладка). а підкладка з епітаксійним шаром називається епітаксіальною пластиною (епітаксіальна пластина = епітаксіальний шар + підкладка). Коли пристрій виготовлено на епітаксіальному шарі, це називається позитивною епітаксією. Якщо пристрій виготовлено на підкладці, це називається зворотною епітаксією. У цей час епітаксійний шар відіграє лише допоміжну роль.

Полірована вафля

Епітаксійні методи росту

Молекулярно-променева епітаксія (MBE): це технологія епітаксійного росту напівпровідників, яка виконується в умовах надвисокого вакууму. У цій техніці вихідний матеріал випаровується у формі пучка атомів або молекул, а потім наноситься на кристалічну підкладку. MBE — це дуже точна та контрольована технологія вирощування тонкої плівки напівпровідника, яка може точно контролювати товщину нанесеного матеріалу на атомарному рівні.
Металоорганічний CVD (MOCVD): у процесі MOCVD органічний метал і гідридний газ N, що містить необхідні елементи, подаються на підкладку при відповідній температурі, піддаються хімічній реакції для створення необхідного напівпровідникового матеріалу та осідають на підкладку. увімкнено, при цьому залишкові сполуки та продукти реакції виводяться.
Гарова фазова епітаксія (VPE): парофазова епітаксія є важливою технологією, яка зазвичай використовується у виробництві напівпровідникових пристроїв. Основний принцип полягає в транспортуванні парів елементарних речовин або сполук у газі-носії та осадженні кристалів на підкладці за допомогою хімічних реакцій.

Які проблеми вирішує процес епітаксії?

Лише масивні монокристалічні матеріали не можуть задовольнити зростаючі потреби у виробництві різних напівпровідникових приладів. Таким чином, наприкінці 1959 року було розроблено епітаксійне вирощування, технологію вирощування тонкошарового монокристалічного матеріалу. Отже, який конкретний внесок робить технологія епітаксії в розвиток матеріалів?

Для кремнію, коли почалася технологія епітаксіального вирощування кремнію, це був справді важкий час для виробництва кремнієвих високочастотних і потужних транзисторів. З точки зору транзисторних принципів, щоб отримати високу частоту та високу потужність, напруга пробою колекторної області має бути високою, а послідовний опір має бути малим, тобто падіння напруги насичення має бути малим. Перший вимагає, щоб питомий опір матеріалу в зоні збору був високим, а другий вимагає, щоб питомий опір матеріалу в зоні збору був низьким. Ці дві провінції суперечать одна одній. Якщо товщину матеріалу в зоні колектора зменшити для зменшення послідовного опору, кремнієва пластина буде занадто тонкою та крихкою для обробки. Якщо питомий опір матеріалу зменшити, це буде суперечити першій вимозі. Проте розвиток епітаксійної технології був успішним. вирішив цю складність.

Рішення: виростіть високоомний епітаксіальний шар на підкладці з надзвичайно низьким опором і створіть пристрій на епітаксіальному шарі. Цей епітаксіальний шар із високим опором забезпечує високу напругу пробою трубки, тоді як підкладка з низьким опором також зменшує опір підкладки, тим самим зменшуючи падіння напруги насичення, тим самим усуваючи протиріччя між ними.

Крім того, технології епітаксії, такі як парофазова епітаксія та рідкофазна епітаксія GaAs та інших напівпровідникових матеріалів III-V, II-VI та інших молекулярних сполук, також отримали великий розвиток і стали основою для більшості мікрохвильових пристроїв, оптоелектронних пристроїв, енергетичних пристроїв. Це незамінна технологічна технологія для виробництва пристроїв, особливо для успішного застосування молекулярно-променевої та металево-органічної парофазної епітаксії в тонких шарах, надгратки, квантові ями, напружені надгратки та тонкошарова епітаксія на атомному рівні, що є новим кроком у дослідженні напівпровідників. Розвиток «інженерії енергетичних поясів» у цій галузі заклав міцну основу.

У практичних застосуваннях широкозонні напівпровідникові прилади майже завжди виготовляються на епітаксіальному шарі, а сама пластина карбіду кремнію служить лише підкладкою. Таким чином, контроль епітаксійного шару є важливою частиною широкозонної промисловості напівпровідників.

7 основних навичок у технології епітаксії

1. Епітаксійні шари з високим (низьким) опором можна вирощувати епітаксіально на підкладках з низьким (високим) опором.
2. Епітаксіальний шар типу N (P) може бути епітаксіально вирощений на підкладці типу P (N) для безпосереднього формування PN-переходу. При використанні методу дифузії для створення PN-переходу на монокристалічній підкладці немає проблеми з компенсацією.
3. У поєднанні з масковою технологією селективне епітаксійне зростання виконується у визначених зонах, створюючи умови для виробництва інтегральних схем і пристроїв зі спеціальною структурою.
4. Тип і концентрацію легування можна змінювати відповідно до потреб під час процесу епітаксійного росту. Зміна концентрації може бути раптовою або повільною.
5. Він може вирощувати неоднорідні, багатошарові, багатокомпонентні сполуки та ультратонкі шари зі змінними компонентами.
6. Епітаксійне зростання можна виконувати при температурі, нижчій за точку плавлення матеріалу, швидкість росту можна контролювати, і можна досягти епітаксійного зростання товщини на атомному рівні.
7. Він може вирощувати монокристалічні матеріали, які неможливо витягнути, наприклад GaN, монокристалічні шари третинних і четвертинних сполук тощо.