Jak epitaxní vrstvy pomáhají polovodičovým součástkám?

Původ názvu epitaxní destička

Nejprve si zpopularizujme malý koncept: příprava destiček zahrnuje dva hlavní články: přípravu substrátu a epitaxní proces. Substrát je destička vyrobená z polovodičového monokrystalického materiálu. Substrát může přímo vstoupit do procesu výroby destiček za účelem výroby polovodičových součástek, nebo může být zpracován epitaxními procesy za účelem výroby epitaxních destiček. Epitaxe označuje proces růstu nové vrstvy monokrystalu na monokrystalickém substrátu, který byl pečlivě zpracován řezáním, broušením, leštěním atd. Nový monokrystal může být ze stejného materiálu jako substrát, nebo se může jednat o jiný materiál (homogenní epitaxe nebo heteroepitaxe). Protože se nová monokrystalická vrstva roztahuje a roste v závislosti na krystalické fázi substrátu, nazývá se epitaxní vrstva (tloušťka je obvykle několik mikronů, například křemík: epitaxní růst křemíku znamená růst na křemíkovém monokrystalickém substrátu s určitou krystalickou orientací. Jedná se o krystalickou vrstvu s dobrou integritou mřížkové struktury, různým odporem a tloušťkou, která má stejnou krystalickou orientaci jako substrát). Substrát s epitaxní vrstvou se nazývá epitaxní destička (epitaxní destička = epitaxní vrstva + substrát). Pokud je součástka vyrobena na epitaxní vrstvě, nazývá se to pozitivní epitaxe. Pokud je součástka vyrobena na substrátu, nazývá se to reverzní epitaxe. V tomto případě hraje epitaxní vrstva pouze podpůrnou roli.

Leštěná oplatka

Epitaxní růstové metody

Molekulární epitaxe svazkem (MBE): Jedná se o technologii epitaxního růstu polovodičů prováděnou za podmínek ultravysokého vakua. Při této technice se zdrojový materiál odpařuje ve formě paprsku atomů nebo molekul a poté se nanáší na krystalický substrát. MBE je velmi přesná a řiditelná technologie růstu tenkých polovodičových vrstev, která dokáže přesně řídit tloušťku nanášeného materiálu na atomární úrovni.
Organokovové CVD (MOCVD): V procesu MOCVD se organický kov a hydridový plyn N2 obsahující požadované prvky přivádějí na substrát při vhodné teplotě, podléhají chemické reakci za vzniku požadovaného polovodičového materiálu a nanášejí se na substrát, zatímco zbývající sloučeniny a reakční produkty se vypouštějí.
Epitaxe v plynné fázi (VPE): Epitaxe v plynné fázi je důležitá technologie běžně používaná při výrobě polovodičových součástek. Základním principem je transport par elementárních látek nebo sloučenin v nosném plynu a ukládání krystalů na substrát chemickými reakcemi.

Jaké problémy řeší proces epitaxe?

Pouze objemové monokrystalické materiály nemohou uspokojit rostoucí potřeby výroby různých polovodičových součástek. Proto byla koncem roku 1959 vyvinuta epitaxní růst, technologie růstu tenkovrstvých monokrystalických materiálů. Jaký konkrétní přínos má tedy epitaxní technologie pro pokrok v oblasti materiálů?

Pro křemík to byla v době, kdy se začala používat technologie epitaxního růstu křemíku, skutečně obtížná doba pro výrobu křemíkových vysokofrekvenčních a výkonových tranzistorů. Z hlediska principu tranzistorů musí být pro dosažení vysoké frekvence a vysokého výkonu vysoké průrazné napětí v kolektorové oblasti a malý sériový odpor, tj. malý pokles saturačního napětí. První požadavek vyžaduje vysoký odpor materiálu v kolektorové oblasti, zatímco druhý požadavek vyžaduje nízký odpor materiálu v kolektorové oblasti. Tyto dvě oblasti si vzájemně odporují. Pokud se zmenší tloušťka materiálu v kolektorové oblasti, aby se snížil sériový odpor, křemíková destička bude příliš tenká a křehká na zpracování. Pokud se zmenší odpor materiálu, bude to v rozporu s prvním požadavkem. Vývoj epitaxní technologie však tento problém úspěšně vyřešil.

Řešení: Vypěstujte epitaxní vrstvu s vysokým odporem na substrátu s extrémně nízkým odporem a vyrobte součástku na epitaxní vrstvě. Tato epitaxní vrstva s vysokým odporem zajišťuje, že trubice má vysoké průrazné napětí, zatímco substrát s nízkým odporem také snižuje odpor substrátu, čímž se snižuje pokles saturačního napětí, a tím se vyřeší rozpor mezi těmito dvěma.

Kromě toho se značně rozvinuly i technologie epitaxe, jako je epitaxe v plynné fázi a epitaxe v kapalné fázi GaAs a dalších polovodičových materiálů III-V, II-VI a dalších molekulárních sloučenin, které se staly základem pro většinu mikrovlnných zařízení, optoelektronických zařízení a energetických zařízení. Je to nepostradatelná procesní technologie pro výrobu zařízení, zejména úspěšné využití technologie molekulárního svazku a epitaxe v plynné fázi s organickými kovy v tenkých vrstvách, supermřížkách, kvantových jámách, napjatých supermřížkách a epitaxe v tenké vrstvě na atomové úrovni, což je nový krok ve výzkumu polovodičů. Rozvoj „energetického pásového inženýrství“ v této oblasti položil pevný základ.

V praktických aplikacích se polovodičové součástky s širokým zakázaným pásmem téměř vždy vyrábějí na epitaxní vrstvě a samotný destička z karbidu křemíku slouží pouze jako substrát. Proto je řízení epitaxní vrstvy důležitou součástí průmyslu polovodičů s širokým zakázaným pásmem.

7 hlavních dovedností v epitaxní technologii

1. Epitaxní vrstvy s vysokým (nízkým) odporem lze epitaxně pěstovat na substrátech s nízkým (vysokým) odporem.
2. Epitaxní vrstva typu N(P) může být epitaxně nanesena na substrát typu P(N) a přímo tak vytvořit PN přechod. Při použití difuzní metody k vytvoření PN přechodu na monokrystalickém substrátu nevzniká žádný problém s kompenzací.
3. V kombinaci s maskovou technologií se v určených oblastech provádí selektivní epitaxní růst, čímž se vytvářejí podmínky pro výrobu integrovaných obvodů a zařízení se speciálními strukturami.
4. Typ a koncentrace dopingu se může během epitaxního růstu měnit podle potřeby. Změna koncentrace může být náhlá nebo pomalá.
5. Může pěstovat heterogenní, vícevrstvé, vícesložkové sloučeniny a ultratenké vrstvy s proměnlivými složkami.
6. Epitaxní růst lze provádět při teplotě nižší než je bod tání materiálu, rychlost růstu je kontrolovatelná a lze dosáhnout epitaxního růstu o tloušťce na atomové úrovni.
7. Může pěstovat monokrystalické materiály, které nelze táhnout, jako je GaN, monokrystalické vrstvy terciárních a kvartérních sloučenin atd.