Kaip epitaksiniai sluoksniai padeda puslaidininkiniams įtaisams?

Epitaksinės plokštelės pavadinimo kilmė

Pirmiausia, išpopuliarinkime nedidelę koncepciją: plokštelių paruošimas apima dvi pagrindines grandis: substrato paruošimą ir epitaksinį procesą. Substratas yra plokštelė, pagaminta iš puslaidininkinės monokristalinės medžiagos. Substratas gali būti tiesiogiai įtrauktas į plokštelių gamybos procesą, siekiant pagaminti puslaidininkinius įtaisus, arba jis gali būti apdorojamas epitaksiniais procesais, siekiant pagaminti epitaksines plokšteles. Epitaksija reiškia naujo monokristalo sluoksnio auginimo ant monokristalo substrato, kuris buvo kruopščiai apdorotas pjaustant, šlifuojant, poliruojant ir kt. Naujas monokristalas gali būti pagamintas iš tos pačios medžiagos kaip ir substratas arba iš kitos medžiagos (homogeninės) (epitaksija arba heteroepitaksija). Kadangi naujas monokristalo sluoksnis plečiasi ir auga pagal substrato kristalinę fazę, jis vadinamas epitaksiniu sluoksniu (storis paprastai yra keli mikronai, pavyzdžiui, silicio atveju: silicio epitaksinis augimas reiškia tam tikros kristalinės orientacijos silicio monokristalo substratą. Auginamas kristalo sluoksnis, turintis gerą gardelės struktūros vientisumą ir skirtingą varžą bei storį, o kristalinė orientacija tokia pati kaip substrato), o substratas su epitaksiniu sluoksniu vadinamas epitaksiniu vafliu (epitaksinė vaflis = epitaksinis sluoksnis + substratas). Kai įtaisas pagamintas ant epitaksinio sluoksnio, tai vadinama teigiama epitaksija. Jei įtaisas pagamintas ant substrato, tai vadinama atvirkštine epitaksija. Šiuo atveju epitaksinis sluoksnis atlieka tik atraminį vaidmenį.

Poliruotas vaflis

Epitaksinio augimo metodai

Molekulinių pluoštų epitaksija (MBE): tai puslaidininkių epitaksijos technologija, atliekama itin aukšto vakuumo sąlygomis. Taikant šią techniką, pirminė medžiaga išgarinama atomų arba molekulių pluošto pavidalu, o po to nusodinama ant kristalinio substrato. MBE yra labai tiksli ir valdoma puslaidininkinių plonų plėvelių auginimo technologija, galinti tiksliai kontroliuoti nusodintos medžiagos storį atominiu lygmeniu.
Metalo organinis CVD (MOCVD): MOCVD procese organiniai metalai ir hidrido dujos N₂, kuriose yra reikiamų elementų, tiekiamos į substratą tinkamoje temperatūroje, vyksta cheminė reakcija, kad susidarytų reikiama puslaidininkinė medžiaga, ir nusodinamos ant substrato, o likę junginiai ir reakcijos produktai išsiskiria.
Garų fazės epitaksija (VPE): Garų fazės epitaksija yra svarbi technologija, dažniausiai naudojama puslaidininkinių įtaisų gamyboje. Pagrindinis principas yra elementariųjų medžiagų ar junginių garų transportavimas nešiklio dujose ir kristalų nusodinimas ant substrato cheminių reakcijų būdu.

Kokias problemas išsprendžia epitaksijos procesas?

Vien tik birių monokristalų medžiagos negali patenkinti augančių įvairių puslaidininkinių įtaisų gamybos poreikių. Todėl 1959 m. pabaigoje buvo sukurta epitaksijos technologija – plonasluoksnės monokristalų medžiagos auginimo technologija. Taigi, kokį konkretų indėlį į medžiagų pažangą turi epitaksijos technologija?

Silicio atveju, kai prasidėjo silicio epitaksijos augimo technologija, gamybai iš tiesų buvo sunkus metas. Tranzistorių principų požiūriu, norint gauti aukštą dažnį ir didelę galią, kolektoriaus srities pramušimo įtampa turi būti didelė, o nuoseklioji varža – maža, t. y. soties įtampos kritimas turi būti mažas. Pirmasis reikalavimas reikalauja, kad medžiagos varža surinkimo srityje būtų didelė, o antrasis – kad medžiagos varža surinkimo srityje būtų maža. Šie du principai prieštarauja vienas kitam. Jei kolektoriaus srities medžiagos storis sumažinamas, kad sumažėtų nuoseklioji varža, silicio plokštelė bus per plona ir trapi, kad būtų galima ją apdoroti. Jei medžiagos varža sumažinama, tai prieštarauja pirmajam reikalavimui. Tačiau epitaksijos technologijos plėtra sėkmingai išsprendė šį sunkumą.

Sprendimas: Užauginkite didelės varžos epitaksinį sluoksnį ant itin mažos varžos pagrindo ir sukurkite įrenginį ant epitaksinio sluoksnio. Šis didelės varžos epitaksinis sluoksnis užtikrina, kad vamzdelis turėtų aukštą pramušimo įtampą, o mažos varžos pagrindas taip pat sumažina pagrindo varžą, taip sumažindamas soties įtampos kritimą ir taip išspręsdamas prieštaravimą tarp jų.

Be to, labai išplėtotos epitaksijos technologijos, tokios kaip GaAs ir kitų III-V, II-VI bei kitų molekulinių junginių puslaidininkinių medžiagų garų fazės epitaksija ir skystos fazės epitaksija, kurios tapo daugelio mikrobangų prietaisų, optoelektroninių prietaisų, galios įrenginių pagrindu. Tai nepakeičiama procesų technologija prietaisų gamybai, ypač sėkmingas molekulinių pluoštų ir metalo organinių garų fazės epitaksijos technologijos taikymas plonuose sluoksniuose, supergardelėse, kvantinėse šuliniuose, įtemptose supergardelėse ir atominio lygio plonasluoksnėje epitaksijoje, kuri yra naujas žingsnis puslaidininkių tyrimuose. „Energijos diržų inžinerijos“ plėtra šioje srityje padėjo tvirtą pagrindą.

Praktiškai plataus draudžiamojo tarpo puslaidininkiniai įtaisai beveik visada gaminami ant epitaksinio sluoksnio, o pati silicio karbido plokštelė tarnauja tik kaip substratas. Todėl epitaksinio sluoksnio valdymas yra svarbi plataus draudžiamojo tarpo puslaidininkių pramonės dalis.

7 pagrindiniai epitaksijos technologijos įgūdžiai

1. Didelio (mažo) varžos epitaksiniai sluoksniai gali būti epitaksiškai auginami ant mažo (didelio) varžos substratų.
2. N (P) tipo epitaksinis sluoksnis gali būti epitaksiškai auginamas ant P (N) tipo substrato, kad būtų tiesiogiai suformuota PN sandūra. Naudojant difuzijos metodą PN sandūrai sudaryti ant monokristalio substrato, nėra kompensavimo problemų.
3. Kartu su kaukių technologija, tam skirtose vietose atliekamas selektyvus epitaksinis auginimas, sudarant sąlygas gaminti integrinius grandynus ir specialios struktūros įrenginius.
4. Epitaksinio augimo proceso metu legiravimo tipas ir koncentracija gali būti keičiami pagal poreikius. Koncentracijos pokytis gali būti staigus arba lėtas.
5. Jis gali auginti nevienalyčius, daugiasluoksnius, daugiakomponenčius junginius ir itin plonus sluoksnius su kintamais komponentais.
6. Epitaksinis augimas gali būti atliekamas žemesnėje nei medžiagos lydymosi temperatūra temperatūroje, augimo greitis yra kontroliuojamas ir galima pasiekti atominio lygio storio epitaksinį augimą.
7. Jis gali auginti monokristalines medžiagas, kurių negalima traukti, pvz., GaN, tretinių ir ketvirtinių junginių monokristalų sluoksnius ir kt.