Miten epitaksiaalikerrokset auttavat puolijohdelaitteita?

Epitaksiaalisen kiekon nimen alkuperä

Ensin tehdään tunnetuksi pieni käsite: kiekkojen valmistus sisältää kaksi päälinkkiä: substraatin valmistuksen ja epitaksiaalisen prosessin. Substraatti on puolijohdemateriaalista valmistettu kiekko. Substraatti voi siirtyä suoraan kiekonvalmistusprosessiin puolijohdelaitteiden tuottamiseksi tai se voidaan käsitellä epitaksiaalisilla prosesseilla epitaksiaalisten kiekkojen tuottamiseksi. Epitaksialla tarkoitetaan prosessia, jossa kasvatetaan uusi yksittäiskidekerros yksikiteiselle alustalle, jota on huolellisesti käsitelty leikkaamalla, hiomalla, kiillottamalla jne. Uusi yksikide voi olla samaa materiaalia kuin alusta tai se voi olla eri materiaalia (homogeeninen) (epitaksialla tai heteroepitaksialla). Koska uusi yksikidekerros laajenee ja kasvaa substraatin kidefaasin mukaan, sitä kutsutaan epitaksiaalikerrokseksi (paksuus on yleensä muutamia mikroneja, esimerkiksi piillä: piin epitaksiaalisen kasvun merkitys on piin yksikidealustalla, jolla on tietty kideorientaatio. Kasvatetaan kidekerrosta, jolla on hyvä hilarakenteen eheys ja erilainen resistiivisyys ja paksuus samassa kideorientaatiossa kuin substraatilla), ja epitaksiaalikerroksella varustettua substraattia kutsutaan epitaksiaalikiekoksi (epitaksiaalikiekko = epitaksiaalikerros + substraatti). Kun laite valmistetaan epitaksiaalikerrokselle, sitä kutsutaan positiiviseksi epitaksiaksi. Jos laite valmistetaan substraatille, sitä kutsutaan käänteiseksi epitaksiaksi. Tässä tapauksessa epitaksiaalikerroksella on vain tukirooli.

Kiillotettu kiekko

Epitaksiaaliset kasvumenetelmät

Molekyylisuihkuepitaksi (MBE): Se on puolijohteiden epitaksiaalinen kasvatustekniikka, joka suoritetaan erittäin korkeassa tyhjiössä. Tässä tekniikassa lähtöaine höyrystetään atomien tai molekyylien suihkuksi ja kerrostetaan sitten kiteiselle alustalle. MBE on erittäin tarkka ja hallittava puolijohdeohutkalvokasvatustekniikka, jolla voidaan tarkasti säätää kerrostetun materiaalin paksuutta atomitasolla.
Metalli-orgaaninen CVD (MOCVD): MOCVD-prosessissa orgaaninen metalli ja hydridikaasu N2, joka sisältää tarvittavat alkuaineet, syötetään substraatille sopivassa lämpötilassa, ne käyvät läpi kemiallisen reaktion tarvittavan puolijohdemateriaalin muodostamiseksi ja kerrostetaan substraatille, samalla kun loput yhdisteet ja reaktiotuotteet purkautuvat.
Höyryfaasiepitaksi (VPE): Höyryfaasiepitaksi on tärkeä tekniikka, jota käytetään yleisesti puolijohdelaitteiden valmistuksessa. Perusperiaatteena on kuljettaa alkuaineiden tai yhdisteiden höyryä kantajakaasussa ja kerrostaa kiteitä substraatille kemiallisten reaktioiden avulla.

Mitä ongelmia epitaksialla ratkaistaan?

Pelkät yksittäiskristallimateriaalit eivät pysty vastaamaan erilaisten puolijohdelaitteiden kasvaviin valmistustarpeisiin. Siksi epitaksiaalikasvatus, ohutkerroksinen yksittäiskristallimateriaalien kasvatusteknologia, kehitettiin vuoden 1959 lopulla. Mikä on epitaksiaaliteknologian erityinen panos materiaalien kehitykseen?

Piin epitaksiaalisen kasvatusteknologian alkaessa piimetallin korkeataajuisten ja tehokkaiden transistorien tuotanto oli todella vaikeaa. Transistoriperiaatteiden näkökulmasta korkean taajuuden ja suuren tehon saavuttamiseksi keräysalueen läpilyöntijännitteen on oltava korkea ja sarjaresistanssin pieni, eli kyllästysjännitehäviön on oltava pieni. Ensimmäinen edellyttää, että keräysalueen materiaalin resistiivisyyden on oltava korkea, kun taas jälkimmäinen vaatii, että keräysalueen materiaalin resistiivisyyden on oltava alhainen. Nämä kaksi vaatimusta ovat ristiriidassa keskenään. Jos keräysalueen materiaalin paksuutta pienennetään sarjaresistanssin pienentämiseksi, piikiekosta tulee liian ohut ja hauras käsiteltäväksi. Jos materiaalin resistiivisyyttä pienennetään, se on ristiriidassa ensimmäisen vaatimuksen kanssa. Epitaksiaalisen teknologian kehitys on kuitenkin onnistunut ratkaisemaan tämän ongelman.

Ratkaisu: Kasvata korkean resistiivisyyden omaava epitaksiaalikerros erittäin matalan resistanssin omaavalle alustalle ja tee laite epitaksiaalikerrokselle. Tämä korkean resistiivisyyden omaava epitaksiaalikerros varmistaa, että putkella on korkea läpilyöntijännite, kun taas matalan resistanssin omaava alusta vähentää myös alustan resistanssia, mikä vähentää kyllästysjännitehäviötä ja ratkaisee siten näiden kahden välisen ristiriidan.

Lisäksi GaAs:n ja muiden III-V, II-VI ja muiden molekyyliyhdistepuolijohdemateriaalien höyryfaasiepitaksian ja nestefaasiepitaksian kaltaisia ​​epitaksitekniikoita on kehitetty huomattavasti, ja niistä on tullut useimpien mikroaaltolaitteiden, optoelektronisten laitteiden ja teholaitteiden perusta. Se on välttämätön prosessiteknologia laitteiden tuotannossa, erityisesti molekyylisuihku- ja metalliorgaanisten höyryfaasiepitaksian onnistunut soveltaminen ohuissa kerroksissa, superhiloissa, kvanttikaivoissa, jännityssuperhiloissa ja atomitason ohutkerrosepitaksiassa on uusi askel puolijohdetutkimuksessa. "Energiavyötekniikan" kehitys alalla on luonut vankan perustan.

Käytännön sovelluksissa laajan kaistanleveyden omaavat puolijohdekomponentit valmistetaan lähes aina epitaksiaalikerrokselle, ja piikarbidilevy itsessään toimii vain substraattina. Siksi epitaksiaalikerroksen hallinta on tärkeä osa laajan kaistanleveyden puolijohdeteollisuutta.

7 päätaitoa epitaksian teknologiassa

1. Korkean (matalan) resistanssin omaavia epitaksiaalisia kerroksia voidaan kasvattaa epitaksiaalisesti matalan (korkean) resistanssin omaaville alustoille.
2. N(P)-tyyppinen epitaksiaalikerros voidaan kasvattaa epitaksiaalisesti P(N)-tyyppiselle substraatille PN-liitoksen muodostamiseksi suoraan. Diffuusiomenetelmällä tehdyssä PN-liitoksessa yksittäiselle kidealustalle ei ole kompensaatio-ongelmaa.
3. Yhdessä maskitekniikan kanssa suoritetaan valikoivaa epitaksiaalista kasvatusta määrätyillä alueilla, mikä luo edellytykset integroitujen piirien ja erikoisrakenteisten laitteiden tuotannolle.
4. Seostuksen tyyppiä ja pitoisuutta voidaan muuttaa epitaksiaalisen kasvuprosessin tarpeiden mukaan. Pitoisuuden muutos voi olla äkillinen tai hidas.
5. Se voi kasvattaa heterogeenisiä, monikerroksisia, monikomponenttisia yhdisteitä ja erittäin ohuita kerroksia, joissa on vaihtelevia komponentteja.
6. Epitaksiaalinen kasvu voidaan suorittaa materiaalin sulamispistettä alhaisemmassa lämpötilassa, kasvunopeus on hallittavissa ja atomitason paksuinen epitaksiaalinen kasvu voidaan saavuttaa.
7. Se voi kasvattaa yksittäisiä kiteisiä materiaaleja, joita ei voida vetää vetämällä, kuten GaN:ää, tertiääristen ja kvaternääristen yhdisteiden yksittäisiä kiteisiä kerroksia jne.