Bagaimana lapisan epitaksial membantu perangkat semikonduktor?

Asal usul nama wafer epitaksial

Pertama, mari kita populerkan sebuah konsep kecil: persiapan wafer mencakup dua mata rantai utama: persiapan substrat dan proses epitaksial. Substrat adalah wafer yang terbuat dari bahan kristal tunggal semikonduktor. Substrat dapat langsung memasuki proses pembuatan wafer untuk menghasilkan perangkat semikonduktor, atau dapat diproses melalui proses epitaksial untuk menghasilkan wafer epitaksial. Epitaksi mengacu pada proses menumbuhkan lapisan baru kristal tunggal pada substrat kristal tunggal yang telah diproses secara hati-hati dengan cara memotong, menggiling, memoles, dll. Kristal tunggal yang baru dapat berupa bahan yang sama dengan substrat, atau dapat berupa bahan yang berbeda (homogen) epitaksi atau heteroepitaksi). Karena lapisan kristal tunggal yang baru memanjang dan tumbuh sesuai dengan fase kristal substrat, maka disebut lapisan epitaxial (ketebalannya biasanya beberapa mikron, mengambil silikon sebagai contoh: arti dari pertumbuhan epitaxial silikon adalah pada substrat kristal tunggal silikon dengan orientasi kristal tertentu. Lapisan kristal dengan integritas struktur kisi yang baik dan resistivitas dan ketebalan yang berbeda dengan orientasi kristal yang sama dengan substrat tumbuh), dan substrat dengan lapisan epitaxial disebut wafer epitaxial (wafer epitaxial = lapisan epitaxial + substrat). Ketika perangkat dibuat pada lapisan epitaxial, maka disebut epitaksi positif. Jika perangkat dibuat pada substrat, maka disebut epitaksi terbalik. Pada saat ini, lapisan epitaxial hanya memainkan peran pendukung.

Wafer yang dipoles

Metode pertumbuhan epitaksial

Epitaksi berkas molekul (MBE): Ini adalah teknologi pertumbuhan epitaksial semikonduktor yang dilakukan dalam kondisi vakum sangat tinggi. Dalam teknik ini, bahan sumber diuapkan dalam bentuk berkas atom atau molekul dan kemudian diendapkan pada substrat kristal. MBE adalah teknologi pertumbuhan lapisan tipis semikonduktor yang sangat presisi dan terkendali yang dapat secara tepat mengendalikan ketebalan bahan yang diendapkan pada tingkat atom.
CVD organik logam (MOCVD): Dalam proses MOCVD, gas N hidrida dan logam organik yang mengandung unsur-unsur yang diperlukan disalurkan ke substrat pada suhu yang sesuai, menjalani reaksi kimia untuk menghasilkan bahan semikonduktor yang diperlukan, dan diendapkan pada substrat, sementara senyawa dan produk reaksi yang tersisa dibuang.
Epitaksi fase uap (VPE): Epitaksi fase uap merupakan teknologi penting yang umum digunakan dalam produksi perangkat semikonduktor. Prinsip dasarnya adalah mengangkut uap zat atau senyawa unsur dalam gas pembawa, dan mengendapkan kristal pada substrat melalui reaksi kimia.

Masalah apa yang dipecahkan oleh proses epitaksi?

Hanya material kristal tunggal massal yang tidak dapat memenuhi kebutuhan yang terus meningkat untuk memproduksi berbagai perangkat semikonduktor. Oleh karena itu, pertumbuhan epitaxial, teknologi pertumbuhan material kristal tunggal lapisan tipis, dikembangkan pada akhir tahun 1959. Jadi, kontribusi spesifik apa yang dimiliki teknologi epitaksi terhadap kemajuan material?

Bagi silikon, ketika teknologi pertumbuhan epitaksial silikon dimulai, itu benar-benar masa yang sulit untuk produksi transistor silikon frekuensi tinggi dan daya tinggi. Dari perspektif prinsip transistor, untuk mendapatkan frekuensi tinggi dan daya tinggi, tegangan tembus area kolektor harus tinggi dan resistansi seri harus kecil, yaitu, penurunan tegangan saturasi harus kecil. Yang pertama mengharuskan resistivitas material di area pengumpul harus tinggi, sedangkan yang terakhir mengharuskan resistivitas material di area pengumpul harus rendah. Kedua provinsi tersebut saling bertentangan. Jika ketebalan material di area kolektor dikurangi untuk mengurangi resistansi seri, wafer silikon akan terlalu tipis dan rapuh untuk diproses. Jika resistivitas material dikurangi, itu akan bertentangan dengan persyaratan pertama. Namun, pengembangan teknologi epitaksial telah berhasil. memecahkan kesulitan ini.

Solusi: Tumbuhkan lapisan epitaksial resistivitas tinggi pada substrat dengan resistansi sangat rendah, dan buat perangkat pada lapisan epitaksial. Lapisan epitaksial resistivitas tinggi ini memastikan bahwa tabung memiliki tegangan tembus yang tinggi, sedangkan substrat resistansi rendah juga mengurangi resistansi substrat, sehingga mengurangi penurunan tegangan saturasi, sehingga menyelesaikan kontradiksi antara keduanya.

Selain itu, teknologi epitaksi seperti epitaksi fase uap dan epitaksi fase cair GaAs dan bahan semikonduktor senyawa molekuler III-V, II-VI dan lainnya juga telah berkembang pesat dan telah menjadi dasar bagi sebagian besar perangkat gelombang mikro, perangkat optoelektronik, daya Ini adalah teknologi proses yang sangat diperlukan untuk produksi perangkat, terutama penerapan teknologi epitaksi fase uap organik logam dan berkas molekul yang berhasil dalam lapisan tipis, superlattice, sumur kuantum, superlattice tegang, dan epitaksi lapisan tipis tingkat atom, yang merupakan langkah baru dalam penelitian semikonduktor. Pengembangan "rekayasa sabuk energi" di lapangan telah meletakkan dasar yang kokoh.

Dalam aplikasi praktis, perangkat semikonduktor dengan celah pita lebar hampir selalu dibuat pada lapisan epitaksial, dan wafer silikon karbida itu sendiri hanya berfungsi sebagai substrat. Oleh karena itu, pengendalian lapisan epitaksial merupakan bagian penting dari industri semikonduktor dengan celah pita lebar.

7 keterampilan utama dalam teknologi epitaksi

1. Lapisan epitaksial resistansi tinggi (rendah) dapat ditumbuhkan secara epitaksial pada substrat resistansi rendah (tinggi).
2. Lapisan epitaksial tipe N (P) dapat ditumbuhkan secara epitaksial pada substrat tipe P (N) untuk membentuk sambungan PN secara langsung. Tidak ada masalah kompensasi saat menggunakan metode difusi untuk membuat sambungan PN pada substrat kristal tunggal.
3. Dikombinasikan dengan teknologi masker, pertumbuhan epitaksial selektif dilakukan di area yang ditentukan, menciptakan kondisi untuk produksi sirkuit terpadu dan perangkat dengan struktur khusus.
4. Jenis dan konsentrasi doping dapat diubah sesuai kebutuhan selama proses pertumbuhan epitaksial. Perubahan konsentrasi dapat berupa perubahan mendadak atau perubahan lambat.
5. Dapat menumbuhkan senyawa heterogen, berlapis-lapis, multikomponen dan lapisan sangat tipis dengan komponen bervariasi.
6. Pertumbuhan epitaksial dapat dilakukan pada suhu yang lebih rendah dari titik leleh material, laju pertumbuhan dapat dikontrol, dan pertumbuhan epitaksial dengan ketebalan tingkat atom dapat dicapai.
7. Dapat menumbuhkan bahan kristal tunggal yang tidak dapat ditarik, seperti GaN, lapisan kristal tunggal senyawa tersier dan kuartener, dll.