Эпитаксиалды қабаттар жартылай өткізгіш құрылғыларға қалай көмектеседі?

Эпитаксиалды пластина атауының шығу тегі

Алдымен, шағын тұжырымдаманы кеңінен насихаттайық: пластина дайындау екі негізгі буынға бөлінеді: субстрат дайындау және эпитаксиалды процесс. Субстрат - жартылай өткізгіш монокристалды материалдан жасалған пластина. Субстрат жартылай өткізгіш құрылғыларды шығару үшін пластина өндірісі процесіне тікелей енуі мүмкін немесе эпитаксиалды пластиналарды алу үшін эпитаксиалды процестермен өңделуі мүмкін. Эпитаксиа дегеніміз кесу, тегістеу, жылтырату және т.б. арқылы мұқият өңделген монокристалды субстратта монокристаллдың жаңа қабатын өсіру процесін білдіреді. Жаңа монокристалл субстратпен бірдей материал болуы мүмкін немесе ол басқа материал (біртекті) болуы мүмкін (эпитаксиалды немесе гетероэпитаксиалды). Жаңа монокристалды қабат субстраттың кристалдық фазасына сәйкес созылып, өсетіндіктен, ол эпитаксиалды қабат деп аталады (мысал ретінде кремнийді алсақ, қалыңдығы әдетте бірнеше микрон болады: кремнийдің эпитаксиалды өсуінің мағынасы белгілі бір кристалдық бағыты бар кремнийдің монокристалды субстратында. Торлы құрылымының тұтастығы жақсы және субстратпен бірдей кристалдық бағыты бар әртүрлі кедергісі мен қалыңдығы бар кристалл қабаты өсіріледі), ал эпитаксиалды қабаты бар субстрат эпитаксиалды пластина деп аталады (эпитаксиалды пластина = эпитаксиалды қабат + субстрат). Құрылғы эпитаксиалды қабатта жасалған кезде, ол оң эпитаксиалды деп аталады. Егер құрылғы субстратта жасалған болса, ол кері эпитаксиалды деп аталады. Бұл кезде эпитаксиалды қабат тек тірек рөлін атқарады.

Жылтыратылған пластина

Эпитаксиалды өсу әдістері

Молекулалық сәулелік эпитаксия (МБЭ): Бұл өте жоғары вакуум жағдайында орындалатын жартылай өткізгіш эпитаксиалды өсу технологиясы. Бұл әдісте бастапқы материал атомдар немесе молекулалар сәулесі түрінде буландырылады, содан кейін кристалды субстратқа тұндырылады. МБЭ - атом деңгейінде тұндырылған материалдың қалыңдығын дәл басқара алатын өте дәл және басқарылатын жартылай өткізгіш жұқа қабықшалы өсу технологиясы.
Металл-органикалық CVD (MOCVD): MOCVD процесінде органикалық металл және қажетті элементтерді қамтитын гидридті газ N газы тиісті температурада негізге беріледі, қажетті жартылай өткізгіш материалды алу үшін химиялық реакцияға түседі және қалған қосылыстар мен реакция өнімдері шығарылатын кезде негізге тұндырылады.
Бу фазалық эпитаксиясы (VPE): Бу фазалық эпитаксиясы - жартылай өткізгіш құрылғыларды өндіруде жиі қолданылатын маңызды технология. Негізгі қағида - тасымалдаушы газдағы элементтік заттардың немесе қосылыстардың буын тасымалдау және химиялық реакциялар арқылы субстратқа кристалдарды тұндыру.

Эпитаксия процесі қандай мәселелерді шешеді?

Тек көлемді монокристалды материалдар ғана әртүрлі жартылай өткізгіш құрылғыларды өндірудің өсіп келе жатқан қажеттіліктерін қанағаттандыра алмайды. Сондықтан, 1959 жылдың соңында жұқа қабатты монокристалды материалды өсіру технологиясы болып табылатын эпитаксиалды өсу жасалды. Сонымен, эпитакси технологиясының материалдардың дамуына қандай нақты үлесі бар?

Кремний үшін, кремний эпитаксиалды өсіру технологиясы басталған кезде, кремнийдің жоғары жиілікті және жоғары қуатты транзисторларын өндіру өте қиын кезең болды. Транзисторлық принциптер тұрғысынан алғанда, жоғары жиілікті және жоғары қуатты алу үшін коллектор аймағының тесілу кернеуі жоғары болуы керек және тізбектей кедергі аз болуы керек, яғни қанығу кернеуінің төмендеуі аз болуы керек. Біріншісі жинау аймағындағы материалдың кедергісінің жоғары болуын талап етеді, ал екіншісі жинау аймағындағы материалдың кедергісінің төмен болуын талап етеді. Екі провинция бір-біріне қарама-қайшы. Егер коллектор аймағындағы материалдың қалыңдығы тізбектей кедергіні азайту үшін азайтылса, кремний пластинасы өңдеу үшін тым жұқа және сынғыш болады. Егер материалдың кедергісі төмендетілсе, бұл бірінші талапқа қайшы келеді. Дегенмен, эпитаксиалды технологияның дамуы сәтті болды. бұл қиындықты шешті.

Шешімі: Өте төмен кедергілі субстратқа жоғары кедергілі эпитаксиалды қабатты өсіріп, құрылғыны эпитаксиалды қабатқа орнатыңыз. Бұл жоғары кедергілі эпитаксиалды қабат түтіктің жоғары тесілу кернеуіне ие болуын қамтамасыз етеді, ал төмен кедергілі субстрат сонымен қатар субстраттың кедергісін азайтады, осылайша қанығу кернеуінің төмендеуін азайтады, осылайша екеуінің арасындағы қайшылықты шешеді.

Сонымен қатар, GaAs және басқа III-V, II-VI және басқа да молекулалық қосылыс жартылай өткізгіш материалдарының бу фазалық эпитаксиясы және сұйық фазалық эпитаксиясы сияқты эпитаксия технологиялары да кеңінен дамыды және көптеген микротолқынды құрылғылардың, оптоэлектрондық құрылғылардың, қуаттың негізіне айналды. Бұл құрылғыларды өндіру үшін, әсіресе жұқа қабаттарда, суперторларда, кванттық ұңғымаларда, кернеулі суперторларда және атом деңгейіндегі жұқа қабатты эпитаксияда молекулалық сәулелік және металл органикалық бу фазалық эпитаксия технологиясын сәтті қолдану үшін таптырмас технология болып табылады, бұл жартылай өткізгіштерді зерттеудегі жаңа қадам болып табылады. «Энергия белдеуін инженериялаудың» осы саладағы дамуы берік негіз қаланды.

Практикалық қолданыстарда кең жолақты жартылай өткізгіш құрылғылар әрдайым дерлік эпитаксиалды қабатта жасалады, ал кремний карбидті пластинаның өзі тек негіз ретінде қызмет етеді. Сондықтан эпитаксиалды қабатты басқару кең жолақты жартылай өткізгіштер өнеркәсібінің маңызды бөлігі болып табылады.

Эпитаксия технологиясындағы 7 негізгі дағды

1. Жоғары (төмен) кедергілі эпитаксиалды қабаттарды төмен (жоғары) кедергілі негіздер бойынша эпитаксиалды түрде өсіруге болады.
2. N (P) типті эпитаксиалды қабатты P (N) типті субстратта эпитаксиалды түрде өсіріп, PN түйіспесін тікелей жасауға болады. Монокристалды субстратта PN түйіспесін жасау үшін диффузия әдісін қолданған кезде компенсация мәселесі болмайды.
3. Маска технологиясымен біріктірілген, арнайы құрылымдары бар интегралдық схемалар мен құрылғыларды өндіруге жағдай жасайтын арнайы аймақтарда селективті эпитаксиалды өсіру жүзеге асырылады.
4. Допингтің түрі мен концентрациясы эпитаксиалды өсу процесінде қажеттіліктерге сәйкес өзгертілуі мүмкін. Концентрацияның өзгеруі кенеттен немесе баяу өзгеруі мүмкін.
5. Ол гетерогенді, көп қабатты, көп компонентті қосылыстарды және айнымалы компоненттері бар ультра жұқа қабаттарды өсіре алады.
6. Эпитаксиалды өсуді материалдың балқу температурасынан төмен температурада жүргізуге болады, өсу жылдамдығын басқаруға болады және атом деңгейіндегі қалыңдықтың эпитаксиалды өсуіне қол жеткізуге болады.
7. Ол GaN, үшінші және төртінші қосылыстардың монокристалды қабаттары және т.б. сияқты тартылмайтын монокристалды материалдарды өсіре алады.