Com ajuden les capes epitaxials als dispositius semiconductors?

L'origen del nom oblia epitaxial

Primer, popularitzem un petit concepte: la preparació de les oblies inclou dos enllaços principals: la preparació del substrat i el procés epitaxial. El substrat és una oblia feta de material monocristallin semiconductor. El substrat pot entrar directament al procés de fabricació d'oblies per produir dispositius semiconductors o es pot processar mitjançant processos epitaxials per produir oblies epitaxials. L'epitaxia es refereix al procés de creixement d'una nova capa de monocristall sobre un substrat monocristall que ha estat processat acuradament mitjançant tall, mòlta, poliment, etc. El nou monocristall pot ser del mateix material que el substrat o pot ser d'un material diferent (homogeni) (epitaxia o heteroepitaxia). Com que la nova capa de monocristall s'estén i creix segons la fase cristal·lina del substrat, s'anomena capa epitaxial (el gruix sol ser d'uns pocs micres, prenent el silici com a exemple: el significat del creixement epitaxial del silici és sobre un substrat de monocristall de silici amb una determinada orientació cristal·lina. Una capa de cristall amb bona integritat de l'estructura de la xarxa i diferent resistivitat i gruix amb la mateixa orientació cristal·lina que el substrat es fa créixer), i el substrat amb la capa epitaxial s'anomena oblia epitaxial (oblia epitaxial = capa epitaxial + substrat). Quan el dispositiu es fa sobre la capa epitaxial, s'anomena epitaxia positiva. Si el dispositiu es fa sobre el substrat, s'anomena epitaxia inversa. En aquest moment, la capa epitaxial només juga un paper de suport.

Oblívia polida

Mètodes de creixement epitaxial

Epitàxia de feix molecular (MBE): és una tecnologia de creixement epitaxial de semiconductors que es duu a terme en condicions d'ultra alt buit. En aquesta tècnica, el material font s'evapora en forma d'un feix d'àtoms o molècules i després es diposita sobre un substrat cristal·lí. La MBE és una tecnologia de creixement de pel·lícules primes de semiconductors molt precisa i controlable que pot controlar amb precisió el gruix del material dipositat a nivell atòmic.
CVD orgànica metàl·lica (MOCVD): En el procés MOCVD, el metall orgànic i el gas hidrur N que contenen els elements necessaris es subministren al substrat a una temperatura adequada, experimenten una reacció química per generar el material semiconductor requerit i es dipositen sobre el substrat, mentre que els compostos i productes de reacció restants es descarreguen.
Epitaxia en fase de vapor (VPE): L'epitaxia en fase de vapor és una tecnologia important que s'utilitza habitualment en la producció de dispositius semiconductors. El principi bàsic és transportar el vapor de substàncies o compostos elementals en un gas portador i dipositar cristalls sobre el substrat mitjançant reaccions químiques.

Quins problemes resol el procés d'epitàxia?

Només els materials monocristallins a granel no poden satisfer les creixents necessitats de fabricació de diversos dispositius semiconductors. Per tant, el creixement epitaxial, una tecnologia de creixement de materials monocristallins de capa fina, es va desenvolupar a finals de 1959. Aleshores, quina contribució específica té la tecnologia d'epitàxia a l'avanç dels materials?

Per al silici, quan va començar la tecnologia de creixement epitaxial de silici, va ser realment un moment difícil per a la producció de transistors de silici d'alta freqüència i alta potència. Des de la perspectiva dels principis dels transistors, per obtenir alta freqüència i alta potència, la tensió de ruptura de l'àrea del col·lector ha de ser alta i la resistència en sèrie ha de ser petita, és a dir, la caiguda de tensió de saturació ha de ser petita. El primer requereix que la resistivitat del material a l'àrea de col·lecció sigui alta, mentre que el segon requereix que la resistivitat del material a l'àrea de col·lecció sigui baixa. Les dues províncies són contradictòries entre si. Si es redueix el gruix del material a l'àrea del col·lector per reduir la resistència en sèrie, l'oblea de silici serà massa prima i fràgil per ser processada. Si es redueix la resistivitat del material, contradirà el primer requisit. Tanmateix, el desenvolupament de la tecnologia epitaxial ha tingut èxit i ha resolt aquesta dificultat.

Solució: Feu créixer una capa epitaxial d'alta resistivitat sobre un substrat de resistència extremadament baixa i feu el dispositiu sobre la capa epitaxial. Aquesta capa epitaxial d'alta resistivitat garanteix que el tub tingui una tensió de ruptura alta, mentre que el substrat de baixa resistència també redueix la resistència del substrat, reduint així la caiguda de tensió de saturació, resolent així la contradicció entre els dos.

A més, les tecnologies d'epitàxia com l'epitàxia en fase de vapor i l'epitàxia en fase líquida de GaAs i altres materials semiconductors compostos moleculars III-V, II-VI i altres també s'han desenvolupat molt i s'han convertit en la base de la majoria de dispositius de microones, dispositius optoelectrònics, potència. És una tecnologia de procés indispensable per a la producció de dispositius, especialment l'aplicació amb èxit de la tecnologia d'epitàxia de feix molecular i fase de vapor metall-orgànic en capes primes, superxarxes, pous quàntics, superxarxes tensades i epitàxia de capa fina a nivell atòmic, que és un nou pas en la investigació de semiconductors. El desenvolupament de "l'enginyeria del cinturó d'energia" en aquest camp ha establert una base sòlida.

En aplicacions pràctiques, els dispositius semiconductors de banda ampla gairebé sempre es fabriquen sobre la capa epitaxial, i la pròpia oblia de carbur de silici només serveix com a substrat. Per tant, el control de la capa epitaxial és una part important de la indústria dels semiconductors de banda ampla.

7 habilitats principals en tecnologia d'epitàxia

1. Les capes epitaxials d'alta (baixa) resistència es poden fer créixer epitaxialment sobre substrats de baixa (alta) resistència.
2. La capa epitaxial de tipus N(P) es pot fer créixer epitaxialment sobre el substrat de tipus P(N) per formar una unió PN directament. No hi ha cap problema de compensació quan s'utilitza el mètode de difusió per fer una unió PN sobre un substrat de cristall simple.
3. Combinat amb la tecnologia de màscara, es realitza un creixement epitaxial selectiu en zones designades, creant condicions per a la producció de circuits integrats i dispositius amb estructures especials.
4. El tipus i la concentració de dopatge es poden canviar segons les necessitats durant el procés de creixement epitaxial. El canvi de concentració pot ser sobtat o lent.
5. Pot fer créixer compostos heterogenis, multicapa i multicomponents, i capes ultrafines amb components variables.
6. El creixement epitaxial es pot realitzar a una temperatura inferior al punt de fusió del material, la taxa de creixement és controlable i es pot aconseguir un creixement epitaxial de gruix a nivell atòmic.
7. Pot fer créixer materials monocristallins que no es poden estirar, com ara GaN, capes monocristallines de compostos terciaris i quaternaris, etc.