¿Cómo ayudan las capas epitaxiales a los dispositivos semiconductores?

El origen del nombre oblea epitaxial

Primero, popularicemos un concepto breve: la preparación de obleas incluye dos componentes principales: la preparación del sustrato y el proceso epitaxial. El sustrato es una oblea hecha de material semiconductor monocristalino. El sustrato puede entrar directamente en el proceso de fabricación de obleas para producir dispositivos semiconductores o puede procesarse mediante procesos epitaxiales para producir obleas epitaxiales. La epitaxia se refiere al proceso de crecimiento de una nueva capa de monocristal sobre un sustrato monocristalino que ha sido cuidadosamente procesado mediante corte, esmerilado, 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 de cristal único se extiende y crece de acuerdo con la fase cristalina del sustrato, se denomina capa epitaxial (el espesor suele ser de unas pocas micras, tomando el silicio como ejemplo: el significado del crecimiento epitaxial de silicio es sobre un sustrato de cristal único de silicio con una cierta 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), y 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 desempeña una función de soporte.

oblea pulida

Métodos de crecimiento epitaxial

Epitaxia de haz molecular (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. MBE es una tecnología de crecimiento de película delgada de semiconductores muy precisa y controlable que permite controlar con precisión el espesor del material depositado a nivel atómico.
CVD orgánico de metal (MOCVD): En el proceso MOCVD, el metal orgánico y el gas hidruro N que contienen los elementos requeridos se suministran al sustrato a una temperatura adecuada, experimentan una reacción química para generar el material semiconductor requerido y se depositan sobre el sustrato, mientras que los compuestos restantes y los productos de reacción se descargan.
Epitaxia en fase de vapor (EPV): 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 a granel 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 en capas finas. Entonces, ¿qué aporta la tecnología epitaxial al avance de los materiales?

Para el silicio, cuando se inició la tecnología de crecimiento epitaxial, la producción de transistores de alta frecuencia y alta potencia se vio seriamente afectada. Desde la perspectiva de los principios de los transistores, para obtener alta frecuencia y alta potencia, la tensión de ruptura en el área del colector debe ser alta y la resistencia en serie pequeña, es decir, la caída de tensión de saturación debe ser pequeña. El primero requiere una alta resistividad del material en el área del colector, mientras que el segundo requiere una baja resistividad. Ambas condiciones son contradictorias. Si se reduce el espesor del material en el área del colector para reducir 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 resuelto con éxito esta dificultad.

Solución: Se construye una capa epitaxial de alta resistividad sobre un sustrato de resistencia extremadamente baja y se construye el dispositivo sobre ella. Esta capa epitaxial de alta resistividad garantiza que el tubo tenga una alta tensión de ruptura, mientras que el sustrato de baja resistencia también reduce la resistencia del sustrato, reduciendo así la caída de tensión de saturación y resolviendo así 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 de compuestos moleculares III-V, II-VI y otros, también se han desarrollado enormemente y se han convertido en la base de la mayoría de los dispositivos de microondas, dispositivos optoelectrónicos, 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 deformadas y epitaxia de capa delgada a nivel atómico, que es un nuevo paso en la investigación de semiconductores. El desarrollo de la "ingeniería de cinturones de energía" en el campo ha sentado bases sólidas.

En aplicaciones prácticas, los dispositivos semiconductores de banda ancha casi siempre se fabrican sobre la capa epitaxial, y la oblea de carburo de silicio solo sirve como sustrato. Por lo tanto, el control de la capa epitaxial es un aspecto importante de la industria de semiconductores de banda ancha.

7 habilidades principales en la tecnología de epitaxia

1. Las capas epitaxiales de alta (baja) resistencia se pueden cultivar epitaxialmente en 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 problema de compensación al utilizar el método de difusión para formar una unión PN sobre un sustrato monocristalino.
3. Combinado con la tecnología de máscara, se realiza un crecimiento epitaxial selectivo en áreas designadas, creando 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 lento.
5. Puede desarrollar compuestos heterogéneos, multicapa, multicomponentes y capas ultrafinas con componentes variables.
6. El crecimiento epitaxial se puede realizar a una temperatura inferior al punto de fusión del material, la tasa de crecimiento es controlable y se puede lograr un crecimiento epitaxial con un espesor a nivel atómico.
7. Puede hacer crecer materiales monocristalinos que no se pueden extraer, como GaN, capas monocristalinas de compuestos terciarios y cuaternarios, etc.