In che modo gli strati epitassiali aiutano i dispositivi semiconduttori?

L'origine del nome wafer epitassiale

Innanzitutto, rendiamo noto un piccolo concetto: la preparazione del wafer comprende due fasi principali: la preparazione del substrato e il processo epitassiale. Il substrato è un wafer costituito da materiale monocristallino semiconduttore. Il substrato può essere inserito direttamente nel processo di produzione del wafer per produrre dispositivi a semiconduttore, oppure può essere lavorato con processi epitassiali per produrre wafer epitassiali. L'epitassia si riferisce al processo di crescita di un nuovo strato di monocristallo su un substrato monocristallino accuratamente lavorato mediante taglio, molatura, lucidatura, ecc. Il nuovo monocristallo può essere dello stesso materiale del substrato, oppure di un materiale diverso (epitassia omogenea o eteroepitassia). Poiché il nuovo strato monocristallino si estende e cresce in base alla fase cristallina del substrato, viene chiamato strato epitassiale (lo spessore è solitamente di pochi micron, prendendo come esempio il silicio: il significato della crescita epitassiale del silicio è su un substrato monocristallino di silicio con una certa orientazione cristallina. Viene coltivato uno strato di cristallo con buona integrità della struttura reticolare e diversa resistività e spessore con la stessa orientazione cristallina del substrato), e il substrato con lo strato epitassiale viene chiamato wafer epitassiale (wafer epitassiale = strato epitassiale + substrato). Quando il dispositivo viene realizzato sullo strato epitassiale, si parla di epitassia positiva. Se il dispositivo viene realizzato sul substrato, si parla di epitassia inversa. In questa fase, lo strato epitassiale svolge solo una funzione di supporto.

Wafer lucidato

Metodi di crescita epitassiale

Epitassia a fascio molecolare (MBE): è una tecnologia di crescita epitassiale di semiconduttori eseguita in condizioni di ultraalto vuoto. In questa tecnica, il materiale sorgente viene evaporato sotto forma di un fascio di atomi o molecole e quindi depositato su un substrato cristallino. L'MBE è una tecnologia di crescita di film sottili di semiconduttori estremamente precisa e controllabile, in grado di controllare con precisione lo spessore del materiale depositato a livello atomico.
CVD metallo-organica (MOCVD): nel processo MOCVD, il metallo organico e il gas idruro N gas contenenti gli elementi richiesti vengono forniti al substrato a una temperatura appropriata, subiscono una reazione chimica per generare il materiale semiconduttore richiesto e vengono depositati sul substrato, mentre i restanti composti e prodotti di reazione vengono scaricati.
Epitassia in fase vapore (VPE): l'epitassia in fase vapore è una tecnologia importante, comunemente utilizzata nella produzione di dispositivi a semiconduttore. Il principio di base è il trasporto del vapore di sostanze elementari o composti in un gas vettore e il deposito di cristalli sul substrato attraverso reazioni chimiche.

Quali problemi risolve il processo di epitassia?

Solo i materiali monocristallini in massa non sono in grado di soddisfare le crescenti esigenze di produzione di vari dispositivi a semiconduttore. Pertanto, alla fine del 1959 è stata sviluppata la crescita epitassiale, una tecnologia di crescita di materiali monocristallini a strato sottile. Quale contributo specifico offre la tecnologia epitassiale al progresso dei materiali?

Per il silicio, quando iniziò la tecnologia di crescita epitassiale del silicio, la produzione di transistor ad alta frequenza e alta potenza al silicio fu davvero un periodo difficile. Dal punto di vista dei principi dei transistor, per ottenere alta frequenza e alta potenza, la tensione di breakdown dell'area del collettore deve essere elevata e la resistenza in serie deve essere piccola, ovvero la caduta di tensione di saturazione deve essere piccola. La prima richiede che la resistività del materiale nell'area di raccolta sia elevata, mentre la seconda richiede che la resistività del materiale nell'area di raccolta sia bassa. I due requisiti sono contraddittori tra loro. Se lo spessore del materiale nell'area del collettore viene ridotto per ridurre la resistenza in serie, il wafer di silicio sarà troppo sottile e fragile per essere lavorato. Se la resistività del materiale viene ridotta, ciò contraddice il primo requisito. Tuttavia, lo sviluppo della tecnologia epitassiale ha risolto con successo questa difficoltà.

Soluzione: far crescere uno strato epitassiale ad alta resistività su un substrato a bassissima resistenza e realizzare il dispositivo sullo strato epitassiale. Questo strato epitassiale ad alta resistività garantisce un'elevata tensione di rottura del tubo, mentre il substrato a bassa resistenza riduce anche la resistenza del substrato, riducendo così la caduta di tensione di saturazione e risolvendo così la contraddizione tra i due.

Inoltre, le tecnologie epitassia come l'epitassia in fase vapore e l'epitassia in fase liquida di GaAs e altri materiali semiconduttori III-V, II-VI e altri composti molecolari hanno anch'esse avuto un notevole sviluppo e sono diventate la base per la maggior parte dei dispositivi a microonde, dei dispositivi optoelettronici e di potenza. Si tratta di una tecnologia di processo indispensabile per la produzione di dispositivi, in particolare l'applicazione di successo della tecnologia epitassia in fase vapore a fascio molecolare e metallo-organico in strati sottili, superreticoli, pozzi quantici, superreticoli deformati ed epitassia a strato sottile a livello atomico, che rappresenta un nuovo passo nella ricerca sui semiconduttori. Lo sviluppo dell'"ingegneria delle cinture energetiche" in questo campo ha gettato solide basi.

Nelle applicazioni pratiche, i dispositivi semiconduttori a banda larga sono quasi sempre realizzati sullo strato epitassiale, e il wafer di carburo di silicio funge solo da substrato. Pertanto, il controllo dello strato epitassiale è un aspetto importante dell'industria dei semiconduttori a banda larga.

7 competenze principali nella tecnologia dell'epitassia

1. Gli strati epitassiali ad alta (bassa) resistenza possono essere coltivati ​​epitassialmente su substrati a bassa (alta) resistenza.
2. Lo strato epitassiale di tipo N(P) può essere cresciuto epitassialmente sul substrato di tipo P(N) per formare direttamente una giunzione PN. Non vi è alcun problema di compensazione quando si utilizza il metodo di diffusione per realizzare una giunzione PN su un substrato monocristallino.
3. In combinazione con la tecnologia delle maschere, la crescita epitassiale selettiva viene eseguita in aree designate, creando le condizioni per la produzione di circuiti integrati e dispositivi con strutture speciali.
4. Il tipo e la concentrazione del drogaggio possono essere modificati in base alle esigenze durante il processo di crescita epitassiale. La variazione di concentrazione può essere improvvisa o lenta.
5. Può sviluppare composti eterogenei, multistrato e multicomponente e strati ultrasottili con componenti variabili.
6. La crescita epitassiale può essere eseguita a una temperatura inferiore al punto di fusione del materiale, la velocità di crescita è controllabile e si può ottenere una crescita epitassiale dello spessore a livello atomico.
7. Può far crescere materiali monocristallini che non possono essere estratti, come GaN, strati monocristallini di composti terziari e quaternari, ecc.