كيف تساعد الطبقات الفوقية الأجهزة شبه الموصلة؟

أصل اسم الرقاقة الفوقية

أولاً، دعونا نبسط مفهومًا بسيطًا: يتضمن تحضير الرقاقة مرحلتين رئيسيتين: تحضير الركيزة وعملية التراكب. الركيزة هي رقاقة مصنوعة من مادة بلورية أحادية شبه موصلة. يمكن إدخال الركيزة مباشرةً في عملية تصنيع الرقاقة لإنتاج أجهزة أشباه الموصلات، أو يمكن معالجتها بعمليات تراكب لإنتاج رقائق تراكبية. يشير التراكب إلى عملية تكوين طبقة جديدة من بلورة أحادية على ركيزة بلورية أحادية خضعت لمعالجة دقيقة بالقطع والطحن والتلميع، إلخ. يمكن أن تكون البلورة الأحادية الجديدة من نفس مادة الركيزة، أو يمكن أن تكون مادة مختلفة (متجانسة) (التراكب أو التراكب غير المتجانس). لأن طبقة البلورة المفردة الجديدة تمتد وتنمو وفقًا للطور البلوري للركيزة، فإنها تسمى طبقة فوقية (عادةً ما يكون السمك بضعة ميكرونات، مع أخذ السيليكون كمثال: معنى نمو السيليكون فوقي هو على ركيزة بلورة سيليكون مفردة ذات اتجاه بلوري معين. طبقة من البلورة ذات سلامة بنية شبكية جيدة ومقاومة وسمك مختلفين بنفس اتجاه البلورة مثل الركيزة التي تنمو بها)، وتسمى الركيزة ذات الطبقة فوقية رقاقة فوقية (رقاقة فوقية = طبقة فوقية + ركيزة). عندما يتم تصنيع الجهاز على الطبقة فوقية، فإنه يسمى طبقة فوقية موجبة. إذا تم تصنيع الجهاز على الركيزة، فإنه يسمى طبقة فوقية عكسية. في هذا الوقت، تلعب الطبقة فوقية دورًا داعمًا فقط.

رقاقة مصقولة

طرق النمو الفوقي

التراكب الشعاعي الجزيئي (MBE): تقنية نمو شعاعي لأشباه الموصلات تُجرى في ظروف فراغ فائق الارتفاع. في هذه التقنية، تُبخّر المادة المصدر على شكل حزمة من الذرات أو الجزيئات، ثم تُرسَب على ركيزة بلورية. تُعد MBE تقنية نمو أغشية رقيقة لأشباه الموصلات دقيقة للغاية وقابلة للتحكم، حيث تُتحكم بدقة في سمك المادة المترسبة على المستوى الذري.
الترسيب الكيميائي للبخار المعدني العضوي (MOCVD): في عملية MOCVD، يتم توفير المعدن العضوي وغاز الهيدريد N المحتوي على العناصر المطلوبة إلى الركيزة عند درجة حرارة مناسبة، ويخضعان لتفاعل كيميائي لتوليد المادة شبه الموصلة المطلوبة، ويتم ترسيبها على الركيزة، بينما يتم تفريغ المركبات المتبقية ومنتجات التفاعل.
ترسيب الطور البخاري (VPE): يُعد ترسيب الطور البخاري تقنيةً مهمةً تُستخدم عادةً في إنتاج أجهزة أشباه الموصلات. ويقوم مبدأها الأساسي على نقل بخار المواد أو المركبات الأولية في غاز ناقل، وترسيب البلورات على الركيزة من خلال تفاعلات كيميائية.

ما هي المشاكل التي تحلها عملية التضمين؟

لا تستطيع مواد البلورات المفردة السائبة وحدها تلبية الاحتياجات المتزايدة لتصنيع مختلف أجهزة أشباه الموصلات. لذلك، طُوّرت تقنية النمو التراكمي، وهي تقنية لنمو مواد بلورات مفردة رقيقة، في نهاية عام ١٩٥٩. فما هي المساهمة المحددة لتقنية النمو التراكمي في تطوير المواد؟

بالنسبة للسيليكون، عندما بدأت تقنية نمو السيليكون الفوقي، كان إنتاج ترانزستورات السيليكون عالية التردد والطاقة أمرًا صعبًا للغاية. من منظور مبادئ الترانزستور، للحصول على تردد وطاقة عاليين، يجب أن يكون جهد انهيار منطقة المجمع مرتفعًا ويجب أن تكون المقاومة التسلسلية صغيرة، أي يجب أن يكون انخفاض جهد التشبع صغيرًا. يتطلب الأول أن تكون مقاومة المادة في منطقة التجميع عالية، بينما يتطلب الثاني أن تكون مقاومتها منخفضة. هاتان المقاطعتان متناقضتان. إذا تم تقليل سمك المادة في منطقة المجمع لتقليل المقاومة التسلسلية، ستكون رقاقة السيليكون رقيقة جدًا وهشة بحيث لا يمكن معالجتها. إذا تم تقليل مقاومة المادة، فسيتعارض ذلك مع المتطلب الأول. ومع ذلك، فقد نجح تطوير تقنية الفوقي في حل هذه المشكلة.

الحل: قم بتكوين طبقة فوقية عالية المقاومة على ركيزة منخفضة المقاومة للغاية، ثم ثبّت الجهاز عليها. تضمن هذه الطبقة فوقية عالية المقاومة أن يكون للأنبوب جهد انهيار عالٍ، بينما تُقلل الركيزة منخفضة المقاومة من مقاومتها، مما يُقلل من انخفاض جهد التشبع، وبالتالي يُحلّ التناقض بينهما.

بالإضافة إلى ذلك، شهدت تقنيات التكاثر، مثل تكاثر طور البخار وتكاثر طور السائل لزرنيخ الغاليوم (GaAs) ومواد أشباه الموصلات الجزيئية الأخرى من النوع III-V وII-VI، تطورًا كبيرًا، وأصبحت أساسًا لمعظم أجهزة الميكروويف، والأجهزة البصرية الإلكترونية، وأجهزة الطاقة. إنها تقنية عملية لا غنى عنها لإنتاج الأجهزة، وخاصةً التطبيق الناجح لتقنية تكاثر طور البخار العضوي المعدني والشعاعي الجزيئي في الطبقات الرقيقة، والشبكات الفائقة، والآبار الكمية، والشبكات الفائقة المجهدة، وتكاثر الطبقة الرقيقة على المستوى الذري، وهي خطوة جديدة في أبحاث أشباه الموصلات. وقد أرسى تطوير "هندسة حزام الطاقة" في هذا المجال أساسًا متينًا.

في التطبيقات العملية، تُصنع أجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض غالبًا على الطبقة الفوقية، بينما تُستخدم رقاقة كربيد السيليكون نفسها كركيزة فقط. لذلك، يُعدّ التحكم في الطبقة الفوقية جزءًا مهمًا من صناعة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض.

7 مهارات رئيسية في تقنية الترقيع

1. يمكن زراعة الطبقات الطلائية ذات المقاومة العالية (المنخفضة) بطريقة الطلائية على ركائز ذات مقاومة منخفضة (عالية).
٢. يمكن زراعة الطبقة الطلائية من النوع N (P) طلائيًا على ركيزة من النوع P (N) لتكوين وصلة PN مباشرةً. لا توجد مشكلة تعويض عند استخدام طريقة الانتشار لإنشاء وصلة PN على ركيزة أحادية البلورة.
3. بالتزامن مع تقنية القناع، يتم إجراء نمو طبقي انتقائي في مناطق محددة، مما يخلق الظروف لإنتاج الدوائر المتكاملة والأجهزة ذات الهياكل الخاصة.
٤. يمكن تغيير نوع وتركيز المنشطات حسب الحاجة أثناء عملية النمو الطلائي. قد يكون التغيير في التركيز مفاجئًا أو بطيئًا.
5. يمكن أن تنمو مركبات غير متجانسة ومتعددة الطبقات ومتعددة المكونات وطبقات رقيقة للغاية ذات مكونات متغيرة.
6. يمكن إجراء النمو الطبقي عند درجة حرارة أقل من نقطة انصهار المادة، ويمكن التحكم في معدل النمو، ويمكن تحقيق النمو الطبقي بسمك على مستوى الذرة.
7. يمكنه إنتاج مواد بلورية مفردة لا يمكن سحبها، مثل GaN، وطبقات بلورية مفردة من المركبات الثلاثية والرباعية، وما إلى ذلك.