¿Cómo ayudan las capas epitaxiales a los dispositivos semiconductores?

El origen del nombre oblea epitaxial

Primero, aclaremos un concepto básico: la preparación de obleas comprende dos etapas principales: la preparación del sustrato y el proceso epitaxial. El sustrato es una oblea de material semiconductor monocristalino. Este sustrato puede incorporarse directamente al proceso de fabricación de obleas para producir dispositivos semiconductores, o bien, puede procesarse mediante procesos epitaxiales para obtener obleas epitaxiales. La epitaxia se refiere al proceso de crecimiento de una nueva capa monocristalina sobre un sustrato monocristalino previamente procesado mediante corte, pulido, etc. El nuevo monocristal puede ser del mismo material que el sustrato o de un material diferente (epitaxia homogénea o heteroepitaxia). Debido a que la nueva capa monocristalina se extiende y crece según la fase cristalina del sustrato, se la denomina capa epitaxial (su espesor suele ser de unas pocas micras; tomando el silicio como ejemplo: el crecimiento epitaxial del silicio se refiere al crecimiento sobre un sustrato monocristalino de silicio con una determinada orientación cristalina. Se cultiva una capa de cristal con buena integridad de la estructura reticular y diferente resistividad y espesor, con la misma orientación cristalina que el sustrato). El sustrato con la capa epitaxial se denomina oblea epitaxial (oblea epitaxial = capa epitaxial + sustrato). Cuando el dispositivo se fabrica sobre la capa epitaxial, se denomina epitaxia positiva. Si el dispositivo se fabrica sobre el sustrato, se denomina epitaxia inversa. En este caso, la capa epitaxial solo cumple una función de soporte.

Oblea pulida

Métodos de crecimiento epitaxial

Epitaxia por haces moleculares (MBE): Es una tecnología de crecimiento epitaxial de semiconductores que se realiza en condiciones de ultra alto vacío. En esta técnica, el material fuente se evapora en forma de un haz de átomos o moléculas y luego se deposita sobre un sustrato cristalino. La MBE es una tecnología de crecimiento de películas delgadas de semiconductores muy precisa y controlable que permite controlar con exactitud el espesor del material depositado a nivel atómico.
Deposición química de vapor metalorgánico (MOCVD): En el proceso MOCVD, se suministran metales orgánicos y gas hidruro (gas N) que contienen los elementos necesarios al sustrato a una temperatura adecuada, donde se produce una reacción química para generar el material semiconductor requerido, el cual se deposita sobre el sustrato, mientras que los compuestos restantes y los productos de reacción se eliminan.
Epitaxia en fase de vapor (VPE): La epitaxia en fase de vapor es una tecnología importante que se utiliza comúnmente en la producción de dispositivos semiconductores. El principio básico consiste en transportar el vapor de sustancias o compuestos elementales en un gas portador y depositar cristales sobre el sustrato mediante reacciones químicas.

¿Qué problemas resuelve el proceso de epitaxia?

Los materiales monocristalinos masivos por sí solos no pueden satisfacer las crecientes necesidades de fabricación de diversos dispositivos semiconductores. Por lo tanto, a finales de 1959 se desarrolló el crecimiento epitaxial, una tecnología de crecimiento de materiales monocristalinos de capa delgada. ¿Qué contribución específica aporta la tecnología de epitaxia al avance de los materiales?

Para el silicio, cuando comenzó la tecnología de crecimiento epitaxial de silicio, la producción de transistores de silicio de alta frecuencia y alta potencia fue un proceso realmente difícil. Desde la perspectiva de los principios de los transistores, para obtener alta frecuencia y alta potencia, el voltaje de ruptura del área del colector debe ser alto y la resistencia en serie debe ser baja, es decir, la caída de voltaje de saturación debe ser pequeña. El primer requisito exige que la resistividad del material en el área del colector sea alta, mientras que el segundo exige que la resistividad del material en el área del colector sea baja. Estos dos requisitos son contradictorios. Si se reduce el espesor del material en el área del colector para disminuir la resistencia en serie, la oblea de silicio será demasiado delgada y frágil para su procesamiento. Si se reduce la resistividad del material, se contradice el primer requisito. Sin embargo, el desarrollo de la tecnología epitaxial ha tenido éxito y ha resuelto esta dificultad.

Solución: Cultivar una capa epitaxial de alta resistividad sobre un sustrato de muy baja resistencia y fabricar el dispositivo sobre dicha capa. Esta capa epitaxial de alta resistividad garantiza que el tubo tenga un alto voltaje de ruptura, mientras que el sustrato de baja resistencia reduce la resistencia del sustrato, disminuyendo así la caída de voltaje de saturación y resolviendo la contradicción entre ambos.

Además, las tecnologías de epitaxia como la epitaxia en fase de vapor y la epitaxia en fase líquida de GaAs y otros materiales semiconductores compuestos moleculares III-V, II-VI y otros también se han desarrollado enormemente y se han convertido en la base para la mayoría de los dispositivos de microondas, dispositivos optoelectrónicos y dispositivos de potencia. Es una tecnología de proceso indispensable para la producción de dispositivos, especialmente la aplicación exitosa de la tecnología de epitaxia en fase de vapor de haces moleculares y organometálicos en capas delgadas, superredes, pozos cuánticos, superredes tensionadas y epitaxia de capa delgada a nivel atómico, lo que es un nuevo paso en la investigación de semiconductores. El desarrollo de la "ingeniería de cinturones de energía" en el campo ha sentado una base sólida.

En aplicaciones prácticas, los dispositivos semiconductores de banda prohibida ancha se fabrican casi siempre sobre la capa epitaxial, y la oblea de carburo de silicio actúa únicamente como sustrato. Por lo tanto, el control de la capa epitaxial es fundamental en la industria de los semiconductores de banda prohibida ancha.

7 habilidades principales en tecnología de epitaxia

1. Las capas epitaxiales de alta (baja) resistencia pueden crecer epitaxialmente sobre sustratos de baja (alta) resistencia.
2. La capa epitaxial de tipo N (P) puede crecer epitaxialmente sobre el sustrato de tipo P (N) para formar directamente una unión PN. No existe ningún problema de compensación al utilizar el método de difusión para formar una unión PN sobre un sustrato monocristalino.
3. Combinada con la tecnología de máscaras, se realiza un crecimiento epitaxial selectivo en áreas designadas, creando las condiciones para la producción de circuitos integrados y dispositivos con estructuras especiales.
4. El tipo y la concentración del dopaje pueden modificarse según las necesidades durante el proceso de crecimiento epitaxial. El cambio de concentración puede ser repentino o gradual.
5. Puede generar compuestos heterogéneos, multicapa y multicomponentes, así como capas ultrafinas con componentes variables.
6. El crecimiento epitaxial se puede realizar a una temperatura inferior al punto de fusión del material, la velocidad de crecimiento es controlable y se puede lograr un crecimiento epitaxial de espesor a nivel atómico.
7. Puede cultivar materiales monocristalinos que no se pueden estirar, como GaN, capas monocristalinas de compuestos terciarios y cuaternarios, etc.