Como axudan as capas epitaxiais aos dispositivos semicondutores?

A orixe do nome oblea epitaxial

Primeiro, popularicemos un pequeno concepto: a preparación de obleas inclúe dúas conexións principais: a preparación do substrato e o proceso epitaxial. O substrato é unha oblea feita de material monocristal semicondutor. O substrato pode entrar directamente no proceso de fabricación de obleas para producir dispositivos semicondutores ou pode ser procesado mediante procesos epitaxiais para producir obleas epitaxiais. A epitaxia refírese ao proceso de crecemento dunha nova capa de monocristal sobre un substrato monocristal que foi coidadosamente procesado mediante corte, moenda, pulido, etc. O novo monocristal pode ser do mesmo material que o substrato ou pode ser dun material diferente (homoxéneo) (epitaxia ou heteroepitaxia). Debido a que a nova capa monocristalina se estende e medra segundo a fase cristalina do substrato, chámase capa epitaxial (o grosor adoita ser duns poucos micróns, tomando o silicio como exemplo: o significado do crecemento epitaxial do silicio é sobre un substrato monocristalino de silicio cunha determinada orientación cristalina. Unha capa de cristal con boa integridade da estrutura da rede e diferente resistividade e grosor coa mesma orientación cristalina que o substrato crece), e o substrato coa capa epitaxial chámase oblea epitaxial (oblea epitaxial = capa epitaxial + substrato). Cando o dispositivo se fabrica sobre a capa epitaxial, chámase epitaxia positiva. Se o dispositivo se fabrica sobre o substrato, chámase epitaxia inversa. Neste momento, a capa epitaxial só desempeña un papel de apoio.

Oblea pulida

Métodos de crecemento epitaxial

Epitaxia por feixe molecular (MBE): é unha tecnoloxía de crecemento epitaxial de semicondutores que se realiza en condicións de baleiro ultraalto. Nesta técnica, o material de orixe evapórase en forma dun feixe de átomos ou moléculas e logo deposítase sobre un substrato cristalino. A MBE é unha tecnoloxía de crecemento de película fina de semicondutores moi precisa e controlable que pode controlar con precisión o grosor do material depositado a nivel atómico.
Deposición química en fase de vapor (CVD) de metal e orgánico (MOCVD): no proceso MOCVD, o metal orgánico e o gas hidruro N2 que conteñen os elementos requiridos subminístranse ao substrato a unha temperatura axeitada, sofren unha reacción química para xerar o material semicondutor requirido e deposítanse sobre o substrato, mentres que os compostos e produtos de reacción restantes se descargan.
Epitaxia en fase de vapor (VPE): A epitaxia en fase de vapor é unha tecnoloxía importante que se emprega habitualmente na produción de dispositivos semicondutores. O principio básico é transportar o vapor de substancias ou compostos elementais nun gas portador e depositar cristais no substrato mediante reaccións químicas.

Que problemas resolve o proceso de epitaxia?

Só os materiais monocristais a granel non poden satisfacer as crecentes necesidades de fabricación de diversos dispositivos semicondutores. Polo tanto, o crecemento epitaxial, unha tecnoloxía de crecemento de materiais monocristais en capa fina, desenvolveuse a finais de 1959. Entón, que contribución específica ten a tecnoloxía de epitaxia ao avance dos materiais?

Para o silicio, cando comezou a tecnoloxía de crecemento epitaxial de silicio, foi un momento realmente difícil para a produción de transistores de silicio de alta frecuencia e alta potencia. Desde a perspectiva dos principios dos transistores, para obter alta frecuencia e alta potencia, a tensión de ruptura da área do colector debe ser alta e a resistencia en serie debe ser pequena, é dicir, a caída de tensión de saturación debe ser pequena. O primeiro require que a resistividade do material na área de colector sexa alta, mentres que o segundo require que a resistividade do material na área de colector sexa baixa. As dúas provincias son contraditorias entre si. Se o grosor do material na área do colector se reduce para reducir a resistencia en serie, a oblea de silicio será demasiado delgada e fráxil para ser procesada. Se a resistividade do material se reduce, contradirá o primeiro requisito. Non obstante, o desenvolvemento da tecnoloxía epitaxial tivo éxito e resolveu esta dificultade.

Solución: Cultivar unha capa epitaxial de alta resistividade sobre un substrato de resistencia extremadamente baixa e fabricar o dispositivo sobre a capa epitaxial. Esta capa epitaxial de alta resistividade garante que o tubo teña unha alta tensión de ruptura, mentres que o substrato de baixa resistencia tamén reduce a resistencia do substrato, reducindo así a caída de tensión de saturación, resolvendo así a contradición entre os dous.

Ademais, as tecnoloxías de epitaxia como a epitaxia en fase de vapor e a epitaxia en fase líquida de GaAs e outros materiais semicondutores compostos moleculares III-V, II-VI e outros tamén se desenvolveron moito e convertéronse na base da maioría dos dispositivos de microondas, dispositivos optoelectrónicos, potencia. É unha tecnoloxía de proceso indispensable para a produción de dispositivos, especialmente a aplicación exitosa da tecnoloxía de epitaxia en fase de vapor metalorgánica e de feixe molecular en capas finas, superredes, pozos cuánticos, superredes tensadas e epitaxia en capas finas a nivel atómico, o que supón un novo paso na investigación de semicondutores. O desenvolvemento da "enxeñaría de cintos de enerxía" no campo sentou unha base sólida.

En aplicacións prácticas, os dispositivos semicondutores de banda ancha case sempre se fabrican na capa epitaxial, e a propia oblea de carburo de silicio só serve como substrato. Polo tanto, o control da capa epitaxial é unha parte importante da industria dos semicondutores de banda ancha.

7 habilidades principais en tecnoloxía de epitaxia

1. As capas epitaxiais de alta (baixa) resistencia pódense cultivar epitaxialmente sobre substratos de baixa (alta) resistencia.
2. A capa epitaxial de tipo N (P) pode crecer epitaxialmente sobre o substrato de tipo P (N) para formar unha unión PN directamente. Non hai ningún problema de compensación cando se usa o método de difusión para facer unha unión PN sobre un substrato monocristalino.
3. En combinación coa tecnoloxía de máscaras, realízase un crecemento epitaxial selectivo en áreas designadas, creando condicións para a produción de circuítos integrados e dispositivos con estruturas especiais.
4. O tipo e a concentración de dopaxe pódense cambiar segundo as necesidades durante o proceso de crecemento epitaxial. O cambio de concentración pode ser repentino ou lento.
5. Pode cultivar compostos heteroxéneos, multicapa e multicompoñentes, así como capas ultrafinas con compoñentes variables.
6. O crecemento epitaxial pódese realizar a unha temperatura inferior ao punto de fusión do material, a taxa de crecemento é controlable e pódese conseguir un crecemento epitaxial de espesor a nivel atómico.
7. Pode cultivar materiais monocristalinos que non se poden extraer, como GaN, capas monocristalinas de compostos terciarios e cuaternarios, etc.