Epitaksial təbəqələr yarımkeçirici cihazlara necə kömək edir?

Epitaksial lövhə adının mənşəyi

Əvvəlcə kiçik bir konsepsiyanı populyarlaşdıraq: lövhə hazırlanması iki əsas əlaqəni əhatə edir: substratın hazırlanması və epitaksial proses. Substrat yarımkeçirici tək kristal materialdan hazırlanmış lövhədir. Substrat yarımkeçirici cihazlar istehsal etmək üçün birbaşa lövhə istehsal prosesinə daxil ola bilər və ya epitaksial lövhələr istehsal etmək üçün epitaksial proseslərlə emal edilə bilər. Epitaksial, kəsmə, üyütmə, cilalama və s. ilə diqqətlə işlənmiş tək kristal substrat üzərində yeni bir tək kristal təbəqəsinin yetişdirilməsi prosesinə aiddir. Yeni tək kristal substratla eyni material ola bilər və ya fərqli bir material (homogen) epitaksial və ya heteroepitaksial ola bilər. Yeni tək kristal təbəqəsi substratın kristal fazasına uyğun olaraq uzandığı və böyüdüyü üçün epitaksial təbəqə adlanır (qalınlığı adətən bir neçə mikrondur, silikon nümunə götürsək: silikon epitaksial böyüməsinin mənası müəyyən bir kristal istiqamətinə malik silikon tək kristal substratdadır. Yaxşı qəfəs quruluşu bütövlüyünə və substratla eyni kristal istiqamətinə malik fərqli müqavimət və qalınlığa malik kristal təbəqəsi yetişdirilir) və epitaksial təbəqəyə malik substrat epitaksial lövhə adlanır (epitaksial lövhə = epitaksial təbəqə + substrat). Cihaz epitaksial təbəqədə hazırlandıqda, müsbət epitaksial adlanır. Cihaz substratda hazırlandıqda, tərs epitaksial adlanır. Bu zaman epitaksial təbəqə yalnız dəstəkləyici rol oynayır.

Cilalanmış vafli

Epitaksial böyümə üsulları

Molekulyar şüa epitaksisi (MBE): Bu, ultra yüksək vakuum şəraitində həyata keçirilən yarımkeçirici epitaksial böyümə texnologiyasıdır. Bu texnikada mənbə materialı atom və ya molekul şüası şəklində buxarlanır və sonra kristal substrat üzərinə çökdürülür. MBE, çökdürülmüş materialın qalınlığını atom səviyyəsində dəqiq idarə edə bilən çox dəqiq və idarəolunan yarımkeçirici nazik təbəqə böyümə texnologiyasıdır.
Metal üzvi CVD (MOCVD): MOCVD prosesində, tələb olunan elementləri ehtiva edən üzvi metal və hidrid qazı N qazı müvafiq temperaturda substrata verilir, tələb olunan yarımkeçirici materialı yaratmaq üçün kimyəvi reaksiyaya məruz qalır və substratın üzərinə çökdürülür, qalan birləşmələr və reaksiya məhsulları isə axıdılır.
Buxar fazalı epitaksiya (VPE): Buxar fazalı epitaksiya yarımkeçirici cihazların istehsalında geniş istifadə olunan vacib bir texnologiyadır. Əsas prinsip elementar maddələrin və ya birləşmələrin buxarını daşıyıcı qazda daşımaq və kimyəvi reaksiyalar vasitəsilə substrat üzərində kristallar yerləşdirməkdir.

Epitaksi prosesi hansı problemləri həll edir?

Yalnız toplu tək kristal materiallar müxtəlif yarımkeçirici cihazların istehsalının artan ehtiyaclarını ödəyə bilməz. Buna görə də, 1959-cu ilin sonunda nazik təbəqəli tək kristal material böyümə texnologiyası olan epitaksial böyümə hazırlanmışdır. Bəs epitaksial texnologiyanın materialların inkişafına hansı xüsusi töhfəsi var?

Silisium üçün, silisium epitaksial böyümə texnologiyası başlayanda, silisium yüksək tezlikli və yüksək güclü tranzistorların istehsalı üçün həqiqətən çətin bir dövr idi. Tranzistor prinsipləri baxımından, yüksək tezlikli və yüksək güc əldə etmək üçün kollektor sahəsinin parçalanma gərginliyi yüksək, ardıcıl müqavimət kiçik, yəni doyma gərginlik düşməsi kiçik olmalıdır. Birincisi, toplama sahəsindəki materialın müqavimətinin yüksək olmasını, ikincisi isə toplama sahəsindəki materialın müqavimətinin aşağı olmasını tələb edir. İki əyalət bir-birinə ziddir. Kollektor sahəsindəki materialın qalınlığı ardıcıl müqaviməti azaltmaq üçün azaldılarsa, silisium lövhəsi emal üçün çox nazik və kövrək olacaq. Materialın müqaviməti azalarsa, bu, birinci tələbə zidd olacaq. Lakin, epitaksial texnologiyanın inkişafı uğurlu olub. Bu çətinliyi həll etdi.

Həll yolu: Son dərəcə aşağı müqavimətli bir substrat üzərində yüksək müqavimətli epitaksial təbəqə yetişdirin və cihazı epitaksial təbəqə üzərində qurun. Bu yüksək müqavimətli epitaksial təbəqə borunun yüksək parçalanma gərginliyinə malik olmasını təmin edir, aşağı müqavimətli substrat isə həmçinin substratın müqavimətini azaldır və bununla da doyma gərginliyinin düşməsini azaldır və bununla da ikisi arasındakı ziddiyyəti həll edir.

Bundan əlavə, GaAs və digər III-V, II-VI və digər molekulyar birləşməli yarımkeçirici materialların buxar fazalı epitaksi və maye fazalı epitaksi kimi epitaksi texnologiyaları da çox inkişaf etmiş və əksər mikrodalğalı cihazların, optoelektron cihazların, enerji cihazlarının istehsalı üçün əsas halına gəlmişdir. Bu, cihazların istehsalı, xüsusən də nazik təbəqələrdə, superqəfəslərdə, kvant quyularında, gərgin superqəfəslərdə və yarımkeçirici tədqiqatlarda yeni bir addım olan atom səviyyəli nazik təbəqə epitaksisində molekulyar şüa və metal üzvi buxar fazalı epitaksi texnologiyasının uğurlu tətbiqi üçün əvəzolunmaz bir proses texnologiyasıdır. Bu sahədə "enerji kəməri mühəndisliyi"nin inkişafı möhkəm bir təməl qoymuşdur.

Praktik tətbiqlərdə genişzolaqlı yarımkeçirici cihazlar demək olar ki, həmişə epitaksial təbəqədə hazırlanır və silikon karbid lövhəsinin özü yalnız substrat kimi xidmət edir. Buna görə də, epitaksial təbəqənin idarə olunması genişzolaqlı yarımkeçirici sənayesinin vacib bir hissəsidir.

Epitaksi texnologiyasında 7 əsas bacarıq

1. Yüksək (aşağı) müqavimətli epitaksial təbəqələr aşağı (yüksək) müqavimətli substratlarda epitaksial şəkildə yetişdirilə bilər.
2. N (P) tipli epitaksial təbəqə birbaşa PN qovşağı yaratmaq üçün P (N) tipli substrat üzərində epitaksial şəkildə yetişdirilə bilər. Tək kristal substrat üzərində PN qovşağı yaratmaq üçün diffuziya metodundan istifadə edərkən heç bir kompensasiya problemi yoxdur.
3. Maska texnologiyası ilə birlikdə, selektiv epitaksial böyümə təyin olunmuş ərazilərdə həyata keçirilir və bu da xüsusi strukturlu inteqral sxemlərin və cihazların istehsalı üçün şərait yaradır.
4. Dopinqin növü və konsentrasiyası epitaksial böyümə prosesi zamanı ehtiyaclara uyğun olaraq dəyişdirilə bilər. Konsentrasiyanın dəyişməsi ani və ya yavaş ola bilər.
5. Heterogen, çoxqatlı, çoxkomponentli birləşmələr və dəyişkən komponentləri olan ultra nazik təbəqələr yetişdirə bilər.
6. Epitaksial böyümə materialın ərimə nöqtəsindən aşağı temperaturda həyata keçirilə bilər, böyümə sürəti idarə oluna bilər və atom səviyyəsində qalınlığın epitaksial böyüməsinə nail olmaq olar.
7. GaN, üçüncü və dördüncü birləşmələrin tək kristal təbəqələri və s. kimi çəkilə bilməyən tək kristal materialları yetişdirə bilər.