Kā epitaksiālie slāņi palīdz pusvadītāju ierīcēm?

Epitaksiālās vafeles nosaukuma izcelsme

Vispirms popularizēsim nelielu koncepciju: plākšņu sagatavošana ietver divas galvenās saites: substrāta sagatavošanu un epitaksiālo procesu. Substrāts ir plāksne, kas izgatavota no pusvadītāju monokristāla materiāla. Substrāts var tieši nonākt plākšņu ražošanas procesā, lai ražotu pusvadītāju ierīces, vai arī to var apstrādāt ar epitaksiāliem procesiem, lai ražotu epitaksiālās plāksnītes. Epitaksija attiecas uz jauna monokristāla slāņa audzēšanas procesu uz monokristāla substrāta, kas ir rūpīgi apstrādāts, griežot, slīpējot, pulējot utt. Jaunais monokristāls var būt no tā paša materiāla kā substrāts vai arī tas var būt no cita materiāla (homogēns) (epitaksija vai heteroepitaksija). Tā kā jaunais monokristāla slānis izstiepjas un aug atbilstoši substrāta kristāla fāzei, to sauc par epitaksiālo slāni (biezums parasti ir daži mikroni, piemēram, silīcijs: silīcija epitaksiālās augšanas nozīme ir uz silīcija monokristāla substrāta ar noteiktu kristāla orientāciju. Tiek audzēts kristāla slānis ar labu režģa struktūras integritāti un atšķirīgu pretestību un biezumu ar tādu pašu kristāla orientāciju kā substrātam), un substrātu ar epitaksiālo slāni sauc par epitaksiālo plāksni (epitaksiālā plāksne = epitaksiālais slānis + substrāts). Ja ierīce ir izgatavota uz epitaksiālā slāņa, to sauc par pozitīvo epitaksiju. Ja ierīce ir izgatavota uz substrāta, to sauc par apgriezto epitaksiju. Šajā laikā epitaksiālajam slānim ir tikai atbalsta loma.

Pulēta vafele

Epitaksiālās augšanas metodes

Molekulārā stara epitaksija (MBE): tā ir pusvadītāju epitaksiālas audzēšanas tehnoloģija, kas tiek veikta īpaši augsta vakuuma apstākļos. Šajā tehnikā izejmateriāls tiek iztvaicēts atomu vai molekulu stara veidā un pēc tam nogulsnēts uz kristāliska substrāta. MBE ir ļoti precīza un vadāma pusvadītāju plāno kārtiņu audzēšanas tehnoloģija, kas var precīzi kontrolēt nogulsnētā materiāla biezumu atomu līmenī.
Metālorganiskā CVD (MOCVD): MOCVD procesā organiskais metāls un hidrīda gāze N2, kas satur nepieciešamos elementus, tiek piegādāti substrātam atbilstošā temperatūrā, pakļauti ķīmiskai reakcijai, lai radītu nepieciešamo pusvadītāju materiālu, un tiek nogulsnēti uz substrāta, kamēr atlikušie savienojumi un reakcijas produkti tiek izvadīti.
Tvaika fāzes epitaksija (VPE): Tvaika fāzes epitaksija ir svarīga tehnoloģija, ko parasti izmanto pusvadītāju ierīču ražošanā. Pamatprincips ir elementu vielu vai savienojumu tvaiku transportēšana nesējgāzē un kristālu nogulsnēšana uz substrāta, izmantojot ķīmiskas reakcijas.

Kādas problēmas atrisina epitaksijas process?

Tikai lielapjoma monokristālu materiāli nevar apmierināt pieaugošās dažādu pusvadītāju ierīču ražošanas vajadzības. Tāpēc 1959. gada beigās tika izstrādāta epitaksiālā audzēšana — plānslāņa monokristālu materiālu audzēšanas tehnoloģija. Tātad, kāds ir epitaksijas tehnoloģijas konkrēts ieguldījums materiālu attīstībā?

Silīcija epitaksiālās augšanas tehnoloģijas sākums bija patiešām grūts laiks silīcija augstfrekvences un lieljaudas tranzistoru ražošanai. No tranzistora principu viedokļa, lai iegūtu augstu frekvenci un lielu jaudu, kolektora zonas sabrukšanas spriegumam jābūt augstam un virknes pretestībai jābūt mazai, tas ir, piesātinājuma sprieguma kritumam jābūt mazam. Pirmais prasa, lai materiāla pretestība savākšanas zonā būtu augsta, bet otrais prasa, lai materiāla pretestība savākšanas zonā būtu zema. Šīs divas prasības ir pretrunīgas. Ja materiāla biezums kolektora zonā tiek samazināts, lai samazinātu virknes pretestību, silīcija plāksne būs pārāk plāna un trausla, lai to apstrādātu. Ja materiāla pretestība tiek samazināta, tas būs pretrunā ar pirmo prasību. Tomēr epitaksiālās tehnoloģijas attīstība ir veiksmīgi atrisinājusi šo grūtību.

Risinājums: Izaudzēt augstas pretestības epitaksiālo slāni uz ārkārtīgi zemas pretestības substrāta un izveidot ierīci uz epitaksiālā slāņa. Šis augstas pretestības epitaksiālais slānis nodrošina, ka lampai ir augsts sabrukšanas spriegums, savukārt zemas pretestības substrāts samazina substrāta pretestību, tādējādi samazinot piesātinājuma sprieguma kritumu un tādējādi atrisinot pretrunu starp abiem.

Turklāt ir ievērojami attīstītas arī tādas epitaksijas tehnoloģijas kā GaAs un citu III-V, II-VI un citu molekulāro savienojumu pusvadītāju materiālu tvaika fāzes epitaksija un šķidrfāzes epitaksija, kas ir kļuvušas par pamatu lielākajai daļai mikroviļņu ierīču, optoelektronisko ierīču un jaudas ierīču. Tā ir neaizstājama procesu tehnoloģija ierīču ražošanā, īpaši molekulāro staru un metālorganisko tvaika fāzes epitaksijas tehnoloģijas veiksmīga pielietošana plānos slāņos, superrežģos, kvantu akās, sasprindzinātos superrežģos un atomu līmeņa plānslāņa epitaksijā, kas ir jauns solis pusvadītāju pētniecībā. "Enerģijas jostu inženierijas" attīstība šajā jomā ir likusi stabilu pamatu.

Praktiskajos pielietojumos platjoslas pusvadītāju ierīces gandrīz vienmēr tiek izgatavotas uz epitaksiālā slāņa, un pati silīcija karbīda plāksne kalpo tikai kā substrāts. Tāpēc epitaksiālā slāņa vadība ir svarīga platjoslas pusvadītāju nozares sastāvdaļa.

7 galvenās prasmes epitaksijas tehnoloģijā

1. Augstas (zemas) pretestības epitaksiālos slāņus var epitaksiāli audzēt uz zemas (augstas) pretestības substrātiem.
2. N(P) tipa epitaksiālo slāni var epitaksiāli audzēt uz P(N) tipa substrāta, lai tieši izveidotu PN pāreju. Izmantojot difūzijas metodi, lai izveidotu PN pāreju uz monokristāla substrāta, nerodas kompensācijas problēmas.
3. Apvienojumā ar masku tehnoloģiju noteiktās zonās tiek veikta selektīva epitaksiāla audzēšana, radot apstākļus integrētu shēmu un ierīču ar īpašām struktūrām ražošanai.
4. Epitaksiālās augšanas procesa laikā dopinga veidu un koncentrāciju var mainīt atbilstoši vajadzībām. Koncentrācijas izmaiņas var būt pēkšņas vai lēnas.
5. Tas var audzēt heterogēnus, daudzslāņu, daudzkomponentu savienojumus un īpaši plānus slāņus ar mainīgiem komponentiem.
6. Epitaksiālo augšanu var veikt temperatūrā, kas ir zemāka par materiāla kušanas temperatūru, augšanas ātrums ir kontrolējams, un var panākt epitaksiālu augšanu atomu līmeņa biezumā.
7. Tas var audzēt monokristālu materiālus, kurus nevar izvilkt, piemēram, GaN, terciāro un kvaternāro savienojumu monokristālu slāņus utt.