Πώς βοηθούν τα επιταξιακά στρώματα τις ημιαγωγικές συσκευές;

Η προέλευση του ονόματος επιταξιακή γκοφρέτα

Αρχικά, ας διαδώσουμε μια μικρή έννοια: η προετοιμασία πλακιδίων περιλαμβάνει δύο βασικούς κρίκους: την προετοιμασία υποστρώματος και την επιταξιακή διαδικασία. Το υπόστρωμα είναι ένα πλακίδιο κατασκευασμένο από ημιαγωγικό μονοκρυσταλλικό υλικό. Το υπόστρωμα μπορεί να εισέλθει απευθείας στη διαδικασία κατασκευής πλακιδίων για την παραγωγή ημιαγωγικών συσκευών ή μπορεί να υποβληθεί σε επεξεργασία με επιταξιακές διαδικασίες για την παραγωγή επιταξιακών πλακιδίων. Η επιταξία αναφέρεται στη διαδικασία ανάπτυξης ενός νέου στρώματος μονοκρυστάλλου σε ένα μονοκρυσταλλικό υπόστρωμα που έχει υποστεί προσεκτική επεξεργασία με κοπή, λείανση, στίλβωση κ.λπ. Ο νέος μονοκρύσταλλος μπορεί να είναι το ίδιο υλικό με το υπόστρωμα ή μπορεί να είναι διαφορετικό υλικό (ομοιογενές (επιταξία ή ετεροεπιταξία). Επειδή το νέο μονοκρυσταλλικό στρώμα εκτείνεται και αναπτύσσεται σύμφωνα με την κρυσταλλική φάση του υποστρώματος, ονομάζεται επιταξιακό στρώμα (το πάχος είναι συνήθως μερικά μικρά, λαμβάνοντας ως παράδειγμα το πυρίτιο: η έννοια της επιταξιακής ανάπτυξης πυριτίου είναι σε ένα μονοκρυσταλλικό υπόστρωμα πυριτίου με συγκεκριμένο προσανατολισμό κρυστάλλου. Ένα στρώμα κρυστάλλου με καλή ακεραιότητα δομής πλέγματος και διαφορετική ειδική αντίσταση και πάχος με τον ίδιο προσανατολισμό κρυστάλλου με το υπόστρωμα που αναπτύσσεται), και το υπόστρωμα με το επιταξιακό στρώμα ονομάζεται επιταξιακό πλακίδιο (επιταξιακό πλακίδιο = επιταξιακό στρώμα + υπόστρωμα). Όταν η συσκευή κατασκευάζεται στο επιταξιακό στρώμα, ονομάζεται θετική επιταξία. Εάν η συσκευή κατασκευάζεται στο υπόστρωμα, ονομάζεται αντίστροφη επιταξία. Σε αυτή τη φάση, το επιταξιακό στρώμα παίζει μόνο υποστηρικτικό ρόλο.

Γυαλισμένη γκοφρέτα

Μέθοδοι επιταξιακής ανάπτυξης

Επιταξία μοριακής δέσμης (MBE): Είναι μια τεχνολογία επιταξιακής ανάπτυξης ημιαγωγών που εκτελείται υπό συνθήκες εξαιρετικά υψηλού κενού. Σε αυτήν την τεχνική, το αρχικό υλικό εξατμίζεται με τη μορφή δέσμης ατόμων ή μορίων και στη συνέχεια εναποτίθεται σε ένα κρυσταλλικό υπόστρωμα. Η MBE είναι μια πολύ ακριβής και ελεγχόμενη τεχνολογία ανάπτυξης λεπτής μεμβράνης ημιαγωγών που μπορεί να ελέγχει με ακρίβεια το πάχος του εναποτιθέμενου υλικού σε ατομικό επίπεδο.
CVD μετάλλων-οργανικών (MOCVD): Στη διεργασία MOCVD, οργανικό μέταλλο και αέριο υδρίδιο N που περιέχει τα απαιτούμενα στοιχεία παρέχονται στο υπόστρωμα σε κατάλληλη θερμοκρασία, υφίστανται χημική αντίδραση για να δημιουργήσουν το απαιτούμενο υλικό ημιαγωγών και εναποτίθενται στο υπόστρωμα, ενώ οι υπόλοιπες ενώσεις και τα προϊόντα αντίδρασης αποβάλλονται.
Επιταξία φάσης ατμών (VPE): Η επιταξία φάσης ατμών είναι μια σημαντική τεχνολογία που χρησιμοποιείται συνήθως στην παραγωγή ημιαγωγικών συσκευών. Η βασική αρχή είναι η μεταφορά του ατμού στοιχειακών ουσιών ή ενώσεων σε ένα αέριο φορέα και η εναπόθεση κρυστάλλων στο υπόστρωμα μέσω χημικών αντιδράσεων.

Ποια προβλήματα λύνει η διαδικασία της επιταξίας;

Μόνο τα μονοκρυσταλλικά υλικά σε μορφή χύδην δεν μπορούν να καλύψουν τις αυξανόμενες ανάγκες κατασκευής διαφόρων ημιαγωγικών συσκευών. Ως εκ τούτου, η επιταξιακή ανάπτυξη, μια τεχνολογία ανάπτυξης λεπτής στρώσης μονοκρυσταλλικού υλικού, αναπτύχθηκε στα τέλη του 1959. Ποια συγκεκριμένη συμβολή έχει, λοιπόν, η τεχνολογία επιταξίας στην πρόοδο των υλικών;

Για το πυρίτιο, όταν ξεκίνησε η τεχνολογία επιταξιακής ανάπτυξης πυριτίου, ήταν πραγματικά μια δύσκολη περίοδος για την παραγωγή τρανζίστορ υψηλής συχνότητας και υψηλής ισχύος πυριτίου. Από την άποψη των αρχών των τρανζίστορ, για την επίτευξη υψηλής συχνότητας και υψηλής ισχύος, η τάση διάσπασης της περιοχής συλλέκτη πρέπει να είναι υψηλή και η αντίσταση σε σειρά πρέπει να είναι μικρή, δηλαδή, η πτώση τάσης κορεσμού πρέπει να είναι μικρή. Το πρώτο απαιτεί η ειδική αντίσταση του υλικού στην περιοχή συλλογής να είναι υψηλή, ενώ το δεύτερο απαιτεί η ειδική αντίσταση του υλικού στην περιοχή συλλογής να είναι χαμηλή. Οι δύο περιοχές είναι αντιφατικές μεταξύ τους. Εάν το πάχος του υλικού στην περιοχή συλλέκτη μειωθεί για να μειωθεί η αντίσταση σε σειρά, η πλακέτα πυριτίου θα είναι πολύ λεπτή και εύθραυστη για να υποβληθεί σε επεξεργασία. Εάν η ειδική αντίσταση του υλικού μειωθεί, θα έρχεται σε αντίθεση με την πρώτη απαίτηση. Ωστόσο, η ανάπτυξη της επιταξιακής τεχνολογίας ήταν επιτυχής. Έλυσε αυτή τη δυσκολία.

Λύση: Αναπτύξτε ένα επιταξιακό στρώμα υψηλής ειδικής αντίστασης σε ένα υπόστρωμα εξαιρετικά χαμηλής αντίστασης και κατασκευάστε τη συσκευή στο επιταξιακό στρώμα. Αυτό το επιταξιακό στρώμα υψηλής ειδικής αντίστασης διασφαλίζει ότι ο σωλήνας έχει υψηλή τάση διάσπασης, ενώ το υπόστρωμα χαμηλής αντίστασης μειώνει επίσης την αντίσταση του υποστρώματος, μειώνοντας έτσι την πτώση τάσης κορεσμού, επιλύοντας έτσι την αντίφαση μεταξύ των δύο.

Επιπλέον, οι τεχνολογίες επιταξίας, όπως η επιταξία σε αέρια φάση και η επιταξία σε υγρή φάση GaAs και άλλων ημιαγωγικών υλικών III-V, II-VI και άλλων μοριακών σύνθετων υλικών, έχουν επίσης αναπτυχθεί σε μεγάλο βαθμό και έχουν γίνει η βάση για τις περισσότερες συσκευές μικροκυμάτων, οπτοηλεκτρονικές συσκευές, και την ηλεκτρική ενέργεια. Είναι μια απαραίτητη τεχνολογία διεργασίας για την παραγωγή συσκευών, ειδικά η επιτυχημένη εφαρμογή της τεχνολογίας επιταξίας σε μοριακή δέσμη και μεταλλική οργανική αέρια φάση σε λεπτά στρώματα, υπερπλέγματα, κβαντικά φρέατα, τεταμένα υπερπλέγματα και επιταξία λεπτής στρώσης σε ατομικό επίπεδο, η οποία αποτελεί ένα νέο βήμα στην έρευνα ημιαγωγών. Η ανάπτυξη της «μηχανικής ενεργειακών ιμάντων» στον τομέα έχει θέσει μια σταθερή βάση.

Σε πρακτικές εφαρμογές, οι ημιαγωγικές διατάξεις με ευρύ ενεργειακό χάσμα κατασκευάζονται σχεδόν πάντα στο επιταξιακό στρώμα και το ίδιο το πλακίδιο καρβιδίου του πυριτίου χρησιμεύει μόνο ως υπόστρωμα. Επομένως, ο έλεγχος του επιταξιακού στρώματος αποτελεί σημαντικό μέρος της βιομηχανίας ημιαγωγών με ευρύ ενεργειακό χάσμα.

7 βασικές δεξιότητες στην τεχνολογία επιταξίας

1. Τα επιταξιακά στρώματα υψηλής (χαμηλής) αντίστασης μπορούν να αναπτυχθούν επιταξιακά σε υποστρώματα χαμηλής (υψηλής) αντίστασης.
2. Το επιταξιακό στρώμα τύπου N (P) μπορεί να αναπτυχθεί επιταξιακά στο υπόστρωμα τύπου P (N) για να σχηματίσει απευθείας μια σύνδεση PN. Δεν υπάρχει πρόβλημα αντιστάθμισης όταν χρησιμοποιείται η μέθοδος διάχυσης για τη δημιουργία μιας σύνδεσης PN σε ένα μονοκρυσταλλικό υπόστρωμα.
3. Σε συνδυασμό με την τεχνολογία μάσκας, πραγματοποιείται επιλεκτική επιταξιακή ανάπτυξη σε καθορισμένες περιοχές, δημιουργώντας συνθήκες για την παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και συσκευών με ειδικές δομές.
4. Ο τύπος και η συγκέντρωση του προσμίγματος μπορούν να αλλάξουν ανάλογα με τις ανάγκες κατά τη διάρκεια της διαδικασίας επιταξιακής ανάπτυξης. Η αλλαγή στη συγκέντρωση μπορεί να είναι ξαφνική ή αργή.
5. Μπορεί να αναπτύξει ετερογενείς, πολυστρωματικές, πολυσυστατικές ενώσεις και εξαιρετικά λεπτές στρώσεις με μεταβλητά συστατικά.
6. Η επιταξιακή ανάπτυξη μπορεί να πραγματοποιηθεί σε θερμοκρασία χαμηλότερη από το σημείο τήξης του υλικού, ο ρυθμός ανάπτυξης είναι ελεγχόμενος και μπορεί να επιτευχθεί επιταξιακή ανάπτυξη πάχους ατομικού επιπέδου.
7. Μπορεί να αναπτύξει μονοκρυσταλλικά υλικά που δεν μπορούν να τραβηχτούν, όπως GaN, μονοκρυσταλλικά στρώματα τριτοταγών και τεταρτοταγών ενώσεων, κ.λπ.