لایه‌های اپیتاکسیال چگونه به دستگاه‌های نیمه‌هادی کمک می‌کنند؟

ریشه نام ویفر اپیتاکسیال

ابتدا، بیایید یک مفهوم کوچک را عمومی کنیم: آماده‌سازی ویفر شامل دو حلقه اصلی است: آماده‌سازی زیرلایه و فرآیند اپیتاکسی. زیرلایه، ویفری است که از مواد تک کریستال نیمه‌هادی ساخته شده است. زیرلایه می‌تواند مستقیماً وارد فرآیند تولید ویفر شود تا دستگاه‌های نیمه‌هادی تولید شوند، یا می‌تواند توسط فرآیندهای اپیتاکسی پردازش شود تا ویفرهای اپیتاکسی تولید شوند. اپیتاکسی به فرآیند رشد یک لایه جدید از تک کریستال روی یک زیرلایه تک کریستالی اشاره دارد که با برش، سنگ‌زنی، صیقل دادن و غیره به دقت پردازش شده است. تک کریستال جدید می‌تواند از همان جنس زیرلایه باشد، یا می‌تواند از ماده‌ای متفاوت (همگن) اپیتاکسی یا هترواپیتاکسی باشد. از آنجا که لایه تک کریستالی جدید مطابق با فاز کریستالی زیرلایه گسترش یافته و رشد می‌کند، به آن لایه اپیتاکسیال گفته می‌شود (ضخامت آن معمولاً چند میکرون است، به عنوان مثال سیلیکون را در نظر بگیرید: منظور از رشد اپیتاکسیال سیلیکون روی یک زیرلایه تک کریستالی سیلیکونی با جهت‌گیری کریستالی خاص است. لایه‌ای از کریستال با یکپارچگی ساختار شبکه‌ای خوب و مقاومت و ضخامت متفاوت با جهت‌گیری کریستالی مشابه زیرلایه رشد یافته) و زیرلایه‌ای که دارای لایه اپیتاکسیال است، ویفر اپیتاکسیال نامیده می‌شود (ویفر اپیتاکسیال = لایه اپیتاکسیال + زیرلایه). وقتی دستگاه روی لایه اپیتاکسیال ساخته شود، به آن اپیتاکسی مثبت می‌گویند. اگر دستگاه روی زیرلایه ساخته شود، به آن اپیتاکسی معکوس می‌گویند. در این زمان، لایه اپیتاکسیال فقط نقش پشتیبان را ایفا می‌کند.

ویفر صیقل داده شده

روش‌های رشد اپیتکسیال

اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE): این یک فناوری رشد اپیتاکسیال نیمه‌هادی است که تحت شرایط خلاء فوق العاده بالا انجام می‌شود. در این تکنیک، ماده منبع به شکل پرتویی از اتم‌ها یا مولکول‌ها تبخیر شده و سپس روی یک زیرلایه کریستالی رسوب داده می‌شود. MBE یک فناوری رشد لایه نازک نیمه‌هادی بسیار دقیق و قابل کنترل است که می‌تواند ضخامت ماده رسوب داده شده را در سطح اتمی به طور دقیق کنترل کند.
CVD آلی فلزی (MOCVD): در فرآیند MOCVD، فلز آلی و گاز هیدرید N2 حاوی عناصر مورد نیاز در دمای مناسب به زیرلایه تغذیه می‌شوند، تحت یک واکنش شیمیایی برای تولید ماده نیمه‌هادی مورد نیاز قرار می‌گیرند و روی زیرلایه رسوب می‌کنند، در حالی که ترکیبات و محصولات واکنش باقی مانده تخلیه می‌شوند.
اپیتاکسی فاز بخار (VPE): اپیتاکسی فاز بخار یک فناوری مهم است که معمولاً در تولید دستگاه‌های نیمه‌هادی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اصل اساسی آن انتقال بخار مواد یا ترکیبات عنصری در یک گاز حامل و رسوب کریستال‌ها روی زیرلایه از طریق واکنش‌های شیمیایی است.

فرآیند اپیتاکسی چه مشکلاتی را حل می‌کند؟

فقط مواد تک کریستالی حجیم نمی‌توانند نیازهای رو به رشد تولید دستگاه‌های نیمه‌هادی مختلف را برآورده کنند. بنابراین، رشد اپیتاکسیال، یک فناوری رشد مواد تک کریستالی لایه نازک، در پایان سال ۱۹۵۹ توسعه یافت. بنابراین، فناوری اپیتاکسی چه سهم خاصی در پیشرفت مواد دارد؟

برای سیلیکون، زمانی که فناوری رشد اپیتاکسیال سیلیکون آغاز شد، تولید ترانزیستورهای سیلیکونی با فرکانس بالا و توان بالا واقعاً دوران سختی بود. از دیدگاه اصول ترانزیستور، برای دستیابی به فرکانس بالا و توان بالا، ولتاژ شکست ناحیه کلکتور باید بالا و مقاومت سری باید کوچک باشد، یعنی افت ولتاژ اشباع باید کوچک باشد. مورد اول مستلزم آن است که مقاومت ویژه ماده در ناحیه جمع آوری بالا باشد، در حالی که مورد دوم مستلزم آن است که مقاومت ویژه ماده در ناحیه جمع آوری کم باشد. این دو حالت با یکدیگر متناقض هستند. اگر ضخامت ماده در ناحیه کلکتور برای کاهش مقاومت سری کاهش یابد، ویفر سیلیکونی برای پردازش بسیار نازک و شکننده خواهد بود. اگر مقاومت ویژه ماده کاهش یابد، با اولین الزام در تضاد خواهد بود. با این حال، توسعه فناوری اپیتاکسیال موفقیت آمیز بوده است. این مشکل را حل کرده است.

راه حل: یک لایه اپیتاکسیال با مقاومت بالا را روی یک زیرلایه با مقاومت بسیار کم رشد دهید و دستگاه را روی لایه اپیتاکسیال بسازید. این لایه اپیتاکسیال با مقاومت بالا تضمین می‌کند که لوله ولتاژ شکست بالایی دارد، در حالی که زیرلایه با مقاومت کم همچنین مقاومت زیرلایه را کاهش می‌دهد و در نتیجه افت ولتاژ اشباع را کاهش می‌دهد و در نتیجه تضاد بین این دو را حل می‌کند.

علاوه بر این، فناوری‌های اپیتاکسی مانند اپیتاکسی فاز بخار و اپیتاکسی فاز مایع GaAs و سایر مواد نیمه‌هادی مرکب مولکولی III-V، II-VI و سایر مواد نیز به شدت توسعه یافته‌اند و به پایه و اساس اکثر دستگاه‌های مایکروویو، دستگاه‌های اپتوالکترونیکی، و قدرت تبدیل شده‌اند. این یک فناوری فرآیند ضروری برای تولید دستگاه‌ها است، به ویژه کاربرد موفقیت‌آمیز فناوری اپیتاکسی فاز بخار پرتو مولکولی و آلی فلزی در لایه‌های نازک، ابرشبکه‌ها، چاه‌های کوانتومی، ابرشبکه‌های کرنشی و اپیتاکسی لایه نازک در سطح اتمی، که گامی جدید در تحقیقات نیمه‌هادی است. توسعه "مهندسی کمربند انرژی" در این زمینه، پایه و اساس محکمی را بنا نهاده است.

در کاربردهای عملی، قطعات نیمه‌هادی با شکاف باند وسیع تقریباً همیشه روی لایه اپیتاکسیال ساخته می‌شوند و خود ویفر کاربید سیلیکون فقط به عنوان زیرلایه عمل می‌کند. بنابراین، کنترل لایه اپیتاکسیال بخش مهمی از صنعت نیمه‌هادی با شکاف باند وسیع است.

7 مهارت اصلی در فناوری اپیتاکسی

۱. لایه‌های اپیتاکسیال با مقاومت بالا (پایین) را می‌توان به صورت اپیتاکسیال روی زیرلایه‌های با مقاومت پایین (بالا) رشد داد.
۲. لایه اپیتاکسیال نوع N(P) را می‌توان به صورت اپیتاکسیال روی زیرلایه نوع P(N) رشد داد تا مستقیماً یک پیوند PN تشکیل شود. هنگام استفاده از روش انتشار برای ایجاد پیوند PN روی یک زیرلایه تک کریستالی، هیچ مشکل جبرانی وجود ندارد.
۳. همراه با فناوری ماسک، رشد اپیتاکسیال انتخابی در مناطق تعیین‌شده انجام می‌شود و شرایطی را برای تولید مدارهای مجتمع و دستگاه‌هایی با ساختارهای ویژه ایجاد می‌کند.
۴. نوع و غلظت آلایش را می‌توان بر اساس نیاز در طول فرآیند رشد اپیتاکسیال تغییر داد. تغییر غلظت می‌تواند یک تغییر ناگهانی یا یک تغییر آهسته باشد.
۵. می‌تواند ترکیبات ناهمگن، چندلایه، چندجزئی و لایه‌های فوق نازک با اجزای متغیر را رشد دهد.
۶. رشد اپیتاکسیال می‌تواند در دمایی پایین‌تر از نقطه ذوب ماده انجام شود، سرعت رشد قابل کنترل است و می‌توان به رشد اپیتاکسیال با ضخامت در سطح اتمی دست یافت.
۷. می‌تواند مواد تک کریستالی را که نمی‌توان آنها را کشید، مانند GaN، لایه‌های تک کریستالی ترکیبات نوع سوم و چهارم و غیره، رشد دهد.