Prečo polovodičové zariadenia vyžadujú „epitaxiálnu vrstvu“

Pôvod názvu „Epitaxial Wafer“

Príprava plátku pozostáva z dvoch hlavných krokov: príprava substrátu a epitaxný proces. Substrát je vyrobený z polovodičového monokryštálového materiálu a zvyčajne sa spracováva na výrobu polovodičových zariadení. Môže tiež podstúpiť epitaxné spracovanie na vytvorenie epitaxiálneho plátku. Epitaxia označuje proces pestovania novej monokryštálovej vrstvy na starostlivo spracovanom monokryštálovom substráte. Nový monokryštál môže byť z rovnakého materiálu ako substrát (homogénna epitaxia) alebo z iného materiálu (heterogénna epitaxia). Keďže nová kryštálová vrstva rastie v súlade s orientáciou kryštálov substrátu, nazýva sa epitaxná vrstva. Oblátka s epitaxnou vrstvou sa označuje ako epitaxná doska (epitaxiálna doska = epitaxná vrstva + substrát). Zariadenia vyrobené na epitaxnej vrstve sa nazývajú „dopredná epitaxia“, zatiaľ čo zariadenia vyrobené na substráte sa označujú ako „reverzná epitaxia“, kde epitaxná vrstva slúži iba ako podpora.

Homogénna a heterogénna epitaxia

Homogénna epitaxia:Epitaxná vrstva a substrát sú vyrobené z rovnakého materiálu: napr. Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

Heterogénna epitaxia:Epitaxná vrstva a substrát sú vyrobené z rôznych materiálov: napr. Si/Al₂O3, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC atď.

Leštené oblátky

Leštené oblátky

 

Aké problémy rieši epitaxia?

Samotné objemové monokryštálové materiály nepostačujú na splnenie čoraz zložitejších požiadaviek na výrobu polovodičových zariadení. Preto bola koncom roku 1959 vyvinutá technika rastu tenkého monokryštálového materiálu známa ako epitaxia. Ako však epitaxiálna technológia konkrétne pomohla rozvoju materiálov? V prípade kremíka došlo k vývoju kremíkovej epitaxie v kritickom čase, keď výroba vysokofrekvenčných a vysokovýkonných kremíkových tranzistorov čelila značným ťažkostiam. Z hľadiska princípov tranzistorov dosiahnutie vysokej frekvencie a výkonu vyžaduje, aby prierazné napätie oblasti kolektora bolo vysoké a sériový odpor bol nízky, čo znamená, že saturačné napätie by malo byť malé. Prvý vyžaduje vysoký odpor v materiáli kolektora, zatiaľ čo druhý vyžaduje nízky odpor, čo vytvára rozpor. Zníženie hrúbky oblasti kolektora na zníženie sériového odporu by spôsobilo, že kremíkový plátok by bol príliš tenký a krehký na spracovanie a zníženie odporu by bolo v rozpore s prvou požiadavkou. Vývoj epitaxnej technológie tento problém úspešne vyriešil. Riešením bolo pestovanie epitaxnej vrstvy s vysokým odporom na substráte s nízkym odporom. Zariadenie je vyrobené na epitaxiálnej vrstve, čo zabezpečuje vysoké prierazné napätie tranzistora, zatiaľ čo substrát s nízkym odporom znižuje základný odpor a znižuje saturačné napätie, čím sa rieši rozpor medzi týmito dvoma požiadavkami.

GaN na SiC

Okrem toho epitaxné technológie pre polovodiče zlúčenín III-V a II-VI, ako sú GaAs, GaN a ďalšie, vrátane epitaxie v parnej a kvapalnej fáze, zaznamenali významný pokrok. Tieto technológie sa stali nevyhnutnými pre výrobu mnohých mikrovlnných, optoelektronických a energetických zariadení. Na tenké vrstvy, supermriežky, kvantové jamy, napnuté supermriežky a tenké epitaxné vrstvy v atómovom meradle sa úspešne aplikovali najmä techniky, ako je epitaxia molekulárneho lúča (MBE) a kovovo-organická chemická depozícia z plynnej fázy (MOCVD). vývoj nových polovodičových oblastí, ako je „pásmové inžinierstvo“.

V praktických aplikáciách sa väčšina polovodičových zariadení so širokým pásmom vyrába na epitaxných vrstvách, pričom materiály ako karbid kremíka (SiC) sa používajú výlučne ako substráty. Preto je kontrola epitaxnej vrstvy kritickým faktorom v širokopásmovom polovodičovom priemysle.

Technológia epitaxie: Sedem kľúčových funkcií

1. Epitaxia môže narásť vrstvu s vysokým (alebo nízkym) odporom na substráte s nízkym (alebo vysokým) odporom.

2. Epitaxia umožňuje rast epitaxných vrstiev typu N (alebo P) na substrátoch typu P (alebo N), pričom priamo vytvára PN prechod bez problémov s kompenzáciou, ktoré vznikajú pri použití difúzie na vytvorenie PN spojenia na substráte z jedného kryštálu.

3. V kombinácii s technológiou masky je možné vykonať selektívny epitaxný rast v špecifických oblastiach, čo umožňuje výrobu integrovaných obvodov a zariadení so špeciálnymi štruktúrami.

4. Epitaxný rast umožňuje kontrolu typov a koncentrácií dopingu so schopnosťou dosiahnuť náhle alebo postupné zmeny koncentrácie.

5. Epitaxia môže rásť heterogénne, viacvrstvové, viaczložkové zlúčeniny s rôznym zložením, vrátane ultratenkých vrstiev.

6. Epitaxný rast môže nastať pri teplotách pod bodom topenia materiálu s regulovateľnou rýchlosťou rastu, čo umožňuje presnosť hrúbky vrstvy na atómovej úrovni.

7. Epitaxia umožňuje rast monokryštálových vrstiev materiálov, ktoré sa nedajú vtiahnuť do kryštálov, ako sú GaN a polovodiče ternárnych/kvartérnych zlúčenín.

Rôzne epitaxné vrstvy a epitaxné procesy

Stručne povedané, epitaxné vrstvy ponúkajú ľahšie kontrolovanú a dokonalú kryštálovú štruktúru ako hromadné substráty, čo je prospešné pre vývoj pokročilých materiálov.


Čas odoslania: 24. decembra 2024