Hvordan hjælper epitaksiale lag halvlederkomponenter?

Oprindelsen af ​​navnet epitaksial wafer

Lad os først popularisere et lille koncept: waferforberedelse omfatter to hovedled: substratforberedelse og epitaksial proces. Substratet er en wafer lavet af halvleder-enkeltkrystalmateriale. Substratet kan indgå direkte i waferfremstillingsprocessen for at producere halvlederkomponenter, eller det kan forarbejdes ved epitaksiale processer for at producere epitaksiale wafere. Epitaksi refererer til processen med at dyrke et nyt lag af en enkelt krystal på et enkeltkrystalsubstrat, der er blevet omhyggeligt forarbejdet ved skæring, slibning, polering osv. Den nye enkeltkrystal kan være af samme materiale som substratet, eller det kan være et andet materiale (homogent) (epitaxi eller heteroepitaxi). Fordi det nye enkeltkrystallag udvides og vokser i henhold til substratets krystalfase, kaldes det et epitaksialt lag (tykkelsen er normalt et par mikrometer, f.eks. silicium: betydningen af ​​silicium-epitaksial vækst er på et silicium-enkeltkrystalsubstrat med en bestemt krystalorientering. Et krystallag med god gitterstrukturintegritet og forskellig resistivitet og tykkelse med samme krystalorientering som substratet dyrkes), og substratet med det epitaksiale lag kaldes en epitaksialt wafer (epitaksial wafer = epitaksialt lag + substrat). Når anordningen er lavet på det epitaksiale lag, kaldes det positiv epitaksi. Hvis anordningen er lavet på substratet, kaldes det omvendt epitaksi. På dette tidspunkt spiller det epitaksiale lag kun en understøttende rolle.

Poleret wafer

Epitaksiale vækstmetoder

Molekylær stråleepitaksi (MBE): Det er en halvlederepitaksial vækstteknologi, der udføres under ultrahøje vakuumforhold. I denne teknik fordampes kildematerialet i form af en stråle af atomer eller molekyler og aflejres derefter på et krystallinsk substrat. MBE er en meget præcis og kontrollerbar halvledertyndfilmsvækstteknologi, der præcist kan kontrollere tykkelsen af ​​aflejret materiale på atomniveau.
Metalorganisk CVD (MOCVD): I MOCVD-processen tilføres organisk metal og hydridgas (N2-gas), der indeholder de nødvendige elementer, til substratet ved en passende temperatur, undergår en kemisk reaktion for at generere det nødvendige halvledermateriale og aflejres på substratet, mens de resterende forbindelser og reaktionsprodukter udledes.
Dampfaseepitaksi (VPE): Dampfaseepitaksi er en vigtig teknologi, der almindeligvis anvendes i produktionen af ​​halvlederkomponenter. Grundprincippet er at transportere dampen af ​​elementære stoffer eller forbindelser i en bæregas og aflejre krystaller på substratet gennem kemiske reaktioner.

Hvilke problemer løser epitaksi-processen?

Kun bulk-enkeltkrystalmaterialer kan ikke opfylde de voksende behov for fremstilling af forskellige halvlederkomponenter. Derfor blev epitaksial vækst, en tyndlagsteknologi til vækst af enkeltkrystalmaterialer, udviklet i slutningen af ​​1959. Så hvilket specifikt bidrag har epitaksiteknologi til materialers udvikling?

For silicium, da silicium-epitaksialvækstteknologi begyndte, var det virkelig en vanskelig tid for produktionen af ​​silicium-højfrekvente og højeffektstransistorer. Fra et transistorprincipperspektiv skal gennemslagsspændingen i kollektorområdet være høj, og seriemodstanden skal være lille for at opnå høj frekvens og høj effekt, dvs. mætningsspændingsfaldet skal være lille. Førstnævnte kræver, at materialets modstand i kollektorområdet skal være høj, mens sidstnævnte kræver, at materialets modstand i kollektorområdet skal være lav. De to provinser er modstridende. Hvis materialets tykkelse i kollektorområdet reduceres for at reducere seriemodstanden, vil siliciumwaferen være for tynd og skrøbelig til at blive bearbejdet. Hvis materialets modstand reduceres, vil det modsige det første krav. Udviklingen af ​​epitaksialteknologi har imidlertid været vellykket og løst denne vanskelighed.

Løsning: Dyrk et epitaksialt lag med høj resistivitet på et substrat med ekstremt lav resistivitet, og lav komponenten på det epitaksiale lag. Dette epitaksialt lag med høj resistivitet sikrer, at røret har en høj gennemslagsspænding, mens substratet med lav resistivitet også reducerer substratets modstand, hvorved mætningsspændingsfaldet reduceres og dermed modsætningen mellem de to løses.

Derudover er epitaksiteknologier såsom dampfaseepitaksi og flydende faseepitaksi af GaAs og andre III-V, II-VI og andre molekylære sammensatte halvledermaterialer også blevet stærkt udviklet og er blevet grundlaget for de fleste mikrobølgeenheder, optoelektroniske enheder og kraftforsyning. Det er en uundværlig procesteknologi til produktion af enheder, især den succesfulde anvendelse af molekylærstråle- og metalorganisk dampfaseepitaksiteknologi i tynde lag, supergitre, kvantebrønde, anstrengte supergitre og tyndlagsepitaksi på atomniveau, hvilket er et nyt skridt inden for halvlederforskning. Udviklingen af ​​"energibælteteknik" inden for området har lagt et solidt fundament.

I praktiske anvendelser fremstilles halvlederkomponenter med bredt båndgab næsten altid på det epitaksiale lag, og selve siliciumcarbidwaferen fungerer kun som substrat. Derfor er styringen af ​​det epitaksiale lag en vigtig del af halvlederindustrien med bredt båndgab.

7 vigtige færdigheder inden for epitaksiteknologi

1. Epitaksiale lag med høj (lav) modstand kan epitaksialt dyrkes på substrater med lav (høj) modstand.
2. Det epitaksiale lag af N(P)-typen kan epitaksialt dyrkes på P(N)-typens substrat for direkte at danne en PN-overgang. Der er intet kompensationsproblem, når diffusionsmetoden anvendes til at lave en PN-overgang på et enkeltkrystalsubstrat.
3. Kombineret med masketeknologi udføres selektiv epitaksial vækst i udpegede områder, hvilket skaber betingelser for produktion af integrerede kredsløb og enheder med specielle strukturer.
4. Dopingtypen og -koncentrationen kan ændres efter behov under den epitaksiale vækstproces. Ændringen i koncentration kan være en pludselig ændring eller en langsom ændring.
5. Det kan dyrke heterogene, flerlagede, flerkomponentforbindelser og ultratynde lag med variable komponenter.
6. Epitaksial vækst kan udføres ved en temperatur lavere end materialets smeltepunkt, væksthastigheden er kontrollerbar, og epitaksial vækst med en tykkelse på atomniveau kan opnås.
7. Det kan dyrke enkeltkrystalmaterialer, der ikke kan trækkes ud, såsom GaN, enkeltkrystallag af tertiære og kvaternære forbindelser osv.