كيف تساعد الطبقات المترسبة فوق الطبقة الموصلة أجهزة أشباه الموصلات؟

أصل تسمية رقاقة الإبيتاكسيال

لنبدأ بشرح مفهوم بسيط: يتضمن تحضير الرقاقات الإلكترونية جزأين رئيسيين: تحضير الركيزة وعملية الترسيب الطبقي. الركيزة عبارة عن رقاقة مصنوعة من مادة شبه موصلة أحادية البلورة. يمكن إدخال الركيزة مباشرةً في عملية تصنيع الرقاقات لإنتاج أجهزة أشباه الموصلات، أو يمكن معالجتها بعمليات الترسيب الطبقي لإنتاج رقاقات طبقية. يشير الترسيب الطبقي إلى عملية تنمية طبقة جديدة من البلورة الأحادية على ركيزة أحادية البلورة تمت معالجتها بعناية من خلال القطع والطحن والتلميع، وما إلى ذلك. يمكن أن تكون البلورة الأحادية الجديدة من نفس مادة الركيزة، أو من مادة مختلفة (ترسيب طبقي متجانس أو غير متجانس). نظرًا لأن طبقة البلورة الأحادية الجديدة تمتد وتنمو وفقًا للطور البلوري للركيزة، تُسمى طبقةً فوقية (عادةً ما يكون سمكها بضعة ميكرونات، على سبيل المثال، في السيليكون: يُقصد بالنمو فوقي للسيليكون نمو طبقة بلورية ذات بنية شبكية سليمة ومقاومة وسمك مختلفين، على ركيزة أحادية البلورة ذات اتجاه بلوري محدد، مع الحفاظ على نفس الاتجاه البلوري للركيزة). وتُسمى الركيزة التي تحتوي على الطبقة فوقية رقاقةً فوقية (الرقاقة فوقية = الطبقة فوقية + الركيزة). عندما يُصنع الجهاز على الطبقة فوقية، يُسمى ذلك فوقية موجبة. أما إذا صُنع الجهاز على الركيزة، فيُسمى فوقية عكسية. في هذه الحالة، تلعب الطبقة فوقية دورًا داعمًا فقط.

رقاقة مصقولة

طرق النمو المتناحي

الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE): هي تقنية لنمو طبقات أشباه الموصلات الرقيقة، تُجرى في ظروف فراغ فائقة. في هذه التقنية، يُبخر مصدر المادة على شكل شعاع من الذرات أو الجزيئات، ثم يُرسب على ركيزة بلورية. تُعدّ تقنية MBE تقنية دقيقة للغاية وقابلة للتحكم في نمو طبقات أشباه الموصلات الرقيقة، حيث تُمكّن من التحكم بدقة في سُمك المادة المُرسبة على المستوى الذري.
الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD): في عملية MOCVD، يتم تزويد الركيزة بغاز النيتروجين العضوي وغاز الهيدريد الذي يحتوي على العناصر المطلوبة عند درجة حرارة مناسبة، ويخضعان لتفاعل كيميائي لتوليد مادة أشباه الموصلات المطلوبة، ويتم ترسيبها على الركيزة، بينما يتم تفريغ المركبات المتبقية ونواتج التفاعل.
الترسيب بالطور البخاري (VPE): يُعد الترسيب بالطور البخاري تقنية مهمة وشائعة الاستخدام في إنتاج أشباه الموصلات. وتقوم فكرته الأساسية على نقل بخار المواد الأولية أو المركبات في غاز ناقل، وترسيب البلورات على الركيزة من خلال تفاعلات كيميائية.

ما المشاكل التي تحلها عملية الترسيب الطبقي؟

لا تكفي المواد أحادية البلورة بكميات كبيرة لتلبية الاحتياجات المتزايدة لتصنيع مختلف أجهزة أشباه الموصلات. لذلك، طُوّرت تقنية النمو الطبقي، وهي تقنية لنمو طبقات رقيقة من المواد أحادية البلورة، في نهاية عام 1959. فما هي المساهمة المحددة التي تقدمها تقنية النمو الطبقي في تطوير المواد؟

عندما بدأت تقنية نمو طبقات السيليكون الرقيقة، واجه إنتاج ترانزستورات السيليكون عالية التردد والطاقة تحديات كبيرة. فمن منظور مبادئ الترانزستور، يتطلب الحصول على تردد عالٍ وقدرة عالية أن يكون جهد الانهيار في منطقة المجمع مرتفعًا، وأن تكون المقاومة التسلسلية منخفضة، أي أن يكون انخفاض جهد التشبع منخفضًا. يتطلب الأول مقاومة نوعية عالية للمادة في منطقة المجمع، بينما يتطلب الثاني مقاومة نوعية منخفضة. وهذان الشرطان متناقضان. فإذا تم تقليل سمك المادة في منطقة المجمع لتقليل المقاومة التسلسلية، ستصبح رقاقة السيليكون رقيقة جدًا وهشة بحيث يصعب معالجتها. أما إذا تم تقليل المقاومة النوعية للمادة، فسيتعارض ذلك مع الشرط الأول. ومع ذلك، فقد نجح تطوير تقنية الطبقات الرقيقة في حل هذه المشكلة.

الحل: تنمية طبقة فوقية عالية المقاومة على ركيزة ذات مقاومة منخفضة للغاية، وتصنيع الجهاز على هذه الطبقة. تضمن هذه الطبقة عالية المقاومة جهد انهيار عالٍ للأنبوب، بينما تقلل الركيزة ذات المقاومة المنخفضة من مقاومتها، مما يقلل من انخفاض جهد التشبع، وبالتالي يحل التناقض بينهما.

بالإضافة إلى ذلك، شهدت تقنيات الترسيب الطبقي، مثل الترسيب الطبقي بالطور البخاري والطور السائل لزرنيخيد الغاليوم (GaAs) ومواد أشباه الموصلات الأخرى من النوع III-V وII-VI وغيرها من المركبات الجزيئية، تطورًا كبيرًا، وأصبحت أساسًا لمعظم أجهزة الميكروويف والأجهزة الكهروضوئية وأنظمة الطاقة. وتُعد هذه التقنيات ضرورية لإنتاج هذه الأجهزة، لا سيما مع التطبيق الناجح لتقنية الترسيب الطبقي بالطور البخاري باستخدام الحزم الجزيئية والمواد العضوية المعدنية في الطبقات الرقيقة والشبكات الفائقة والآبار الكمومية والشبكات الفائقة المشدودة والترسيب الطبقي الرقيق على المستوى الذري، مما يمثل خطوة جديدة في أبحاث أشباه الموصلات. وقد أرست هذه التقنيات أساسًا متينًا لتطوير "هندسة حزام الطاقة" في هذا المجال.

في التطبيقات العملية، تُصنع أجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريضة عادةً على طبقة فوقية، وتُستخدم رقاقة كربيد السيليكون نفسها كركيزة فقط. لذا، يُعد التحكم في الطبقة الفوقية جزءًا مهمًا من صناعة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريضة.

سبع مهارات رئيسية في تكنولوجيا الترسيب الطبقي

1. يمكن تنمية طبقات الترسيب ذات المقاومة العالية (المنخفضة) بشكل متجانس على ركائز ذات مقاومة منخفضة (عالية).
2. يمكن تنمية الطبقة فوقية من النوع N (P) فوقياً على ركيزة من النوع P (N) لتشكيل وصلة PN مباشرة. لا توجد مشكلة تعويض عند استخدام طريقة الانتشار لإنشاء وصلة PN على ركيزة أحادية البلورة.
3. بالاقتران مع تقنية القناع، يتم إجراء النمو الانتقائي للطبقة الرقيقة في مناطق محددة، مما يخلق ظروفًا لإنتاج الدوائر المتكاملة والأجهزة ذات الهياكل الخاصة.
4. يمكن تغيير نوع وتركيز المواد المضافة حسب الحاجة أثناء عملية النمو الطبقي. وقد يكون التغيير في التركيز مفاجئًا أو تدريجيًا.
5. يمكنها أن تنمو مركبات غير متجانسة ومتعددة الطبقات ومتعددة المكونات وطبقات رقيقة للغاية ذات مكونات متغيرة.
6. يمكن إجراء النمو المتناحي عند درجة حرارة أقل من نقطة انصهار المادة، ويمكن التحكم في معدل النمو، ويمكن تحقيق نمو متناحي بسمك على المستوى الذري.
7. يمكنها إنماء مواد أحادية البلورة لا يمكن سحبها، مثل GaN، وطبقات أحادية البلورة من المركبات الثلاثية والرباعية، وما إلى ذلك.