Bagaimanakah lapisan epitaksi membantu peranti semikonduktor?

Asal usul nama wafer epitaksial

Pertama, mari kita popularkan satu konsep kecil: penyediaan wafer merangkumi dua pautan utama: penyediaan substrat dan proses epitaksi. Substrat ialah wafer yang diperbuat daripada bahan kristal tunggal semikonduktor. Substrat boleh memasuki proses pembuatan wafer secara langsung untuk menghasilkan peranti semikonduktor, atau ia boleh diproses melalui proses epitaksi untuk menghasilkan wafer epitaksi. Epitaksi merujuk kepada proses menumbuhkan lapisan kristal tunggal baharu pada substrat kristal tunggal yang telah diproses dengan teliti melalui pemotongan, pengisaran, penggilapan, dan sebagainya. Kristal tunggal baharu boleh menjadi bahan yang sama dengan substrat, atau ia boleh menjadi bahan yang berbeza (homogen) epitaksi atau heteroepitaksi). Oleh kerana lapisan kristal tunggal yang baharu memanjang dan tumbuh mengikut fasa kristal substrat, ia dipanggil lapisan epitaksi (ketebalannya biasanya beberapa mikron, dengan mengambil silikon sebagai contoh: maksud pertumbuhan epitaksi silikon adalah pada substrat kristal tunggal silikon dengan orientasi kristal tertentu. Lapisan kristal dengan integriti struktur kekisi yang baik dan kerintangan dan ketebalan yang berbeza dengan orientasi kristal yang sama seperti substrat yang ditumbuhkan), dan substrat dengan lapisan epitaksi dipanggil wafer epitaksi (wafer epitaksi = lapisan epitaksi + substrat). Apabila peranti dibuat pada lapisan epitaksi, ia dipanggil epitaksi positif. Jika peranti dibuat pada substrat, ia dipanggil epitaksi terbalik. Pada masa ini, lapisan epitaksi hanya memainkan peranan sokongan.

Wafer digilap

Kaedah pertumbuhan epitaksial

Epitaksi pancaran molekul (MBE): Ia merupakan teknologi pertumbuhan epitaksi semikonduktor yang dilakukan di bawah keadaan vakum ultra tinggi. Dalam teknik ini, bahan sumber disejat dalam bentuk pancaran atom atau molekul dan kemudian dimendapkan pada substrat kristal. MBE ialah teknologi pertumbuhan filem nipis semikonduktor yang sangat tepat dan boleh dikawal yang boleh mengawal ketebalan bahan yang dimendapkan pada peringkat atom dengan tepat.
CVD organik logam (MOCVD): Dalam proses MOCVD, logam organik dan gas hidrida N2 yang mengandungi unsur-unsur yang diperlukan dibekalkan ke substrat pada suhu yang sesuai, menjalani tindak balas kimia untuk menghasilkan bahan semikonduktor yang diperlukan, dan dimendapkan pada substrat, manakala sebatian dan produk tindak balas yang tinggal dinyahcas.
Epitaksi fasa wap (VPE): Epitaksi fasa wap merupakan teknologi penting yang biasa digunakan dalam penghasilan peranti semikonduktor. Prinsip asasnya adalah untuk mengangkut wap bahan atau sebatian unsur dalam gas pembawa dan memendapkan kristal pada substrat melalui tindak balas kimia.

Apakah masalah yang diselesaikan oleh proses epitaksi?

Hanya bahan kristal tunggal pukal yang tidak dapat memenuhi keperluan pembuatan pelbagai peranti semikonduktor yang semakin meningkat. Oleh itu, pertumbuhan epitaksi, teknologi pertumbuhan bahan kristal tunggal lapisan nipis, telah dibangunkan pada akhir tahun 1959. Jadi, apakah sumbangan khusus teknologi epitaksi terhadap kemajuan bahan?

Bagi silikon, apabila teknologi pertumbuhan epitaksi silikon bermula, ia merupakan masa yang sukar untuk penghasilan transistor frekuensi tinggi dan berkuasa tinggi silikon. Dari perspektif prinsip transistor, untuk mendapatkan frekuensi tinggi dan kuasa tinggi, voltan kerosakan kawasan pengumpul mestilah tinggi dan rintangan siri mestilah kecil, iaitu, penurunan voltan tepu mestilah kecil. Yang pertama memerlukan kerintangan bahan di kawasan pengumpulan hendaklah tinggi, manakala yang kedua memerlukan kerintangan bahan di kawasan pengumpulan hendaklah rendah. Kedua-dua wilayah ini bercanggah antara satu sama lain. Jika ketebalan bahan di kawasan pengumpul dikurangkan untuk mengurangkan rintangan siri, wafer silikon akan menjadi terlalu nipis dan rapuh untuk diproses. Jika kerintangan bahan dikurangkan, ia akan bercanggah dengan keperluan pertama. Walau bagaimanapun, pembangunan teknologi epitaksi telah berjaya menyelesaikan kesukaran ini.

Penyelesaian: Tumbuhkan lapisan epitaksi berrintangan tinggi pada substrat berrintangan yang sangat rendah, dan buat peranti pada lapisan epitaksi. Lapisan epitaksi berrintangan tinggi ini memastikan tiub mempunyai voltan kerosakan yang tinggi, manakala substrat berrintangan rendah juga mengurangkan rintangan substrat, sekali gus mengurangkan penurunan voltan tepu, sekali gus menyelesaikan percanggahan antara kedua-duanya.

Di samping itu, teknologi epitaksi seperti epitaksi fasa wap dan epitaksi fasa cecair GaAs dan bahan semikonduktor sebatian molekul III-V, II-VI dan lain-lain juga telah banyak dibangunkan dan telah menjadi asas bagi kebanyakan peranti gelombang mikro, peranti optoelektronik, kuasa. Ia merupakan teknologi proses yang sangat diperlukan untuk penghasilan peranti, terutamanya aplikasi teknologi epitaksi fasa wap organik dan pancaran molekul yang berjaya dalam lapisan nipis, superkisi, telaga kuantum, superkisi tegang, dan epitaksi lapisan nipis peringkat atom, yang merupakan langkah baharu dalam penyelidikan semikonduktor. Perkembangan "kejuruteraan tali pinggang tenaga" dalam bidang ini telah meletakkan asas yang kukuh.

Dalam aplikasi praktikal, peranti semikonduktor celah jalur lebar hampir selalu dibuat pada lapisan epitaksi, dan wafer silikon karbida itu sendiri hanya berfungsi sebagai substrat. Oleh itu, kawalan lapisan epitaksi merupakan bahagian penting dalam industri semikonduktor celah jalur lebar.

7 kemahiran utama dalam teknologi epitaksi

1. Lapisan epitaksial rintangan tinggi (rendah) boleh ditumbuhkan secara epitaksial pada substrat rintangan rendah (tinggi).
2. Lapisan epitaksial jenis N(P) boleh ditumbuhkan secara epitaksial pada substrat jenis P(N) untuk membentuk simpang PN secara langsung. Tiada masalah pampasan apabila menggunakan kaedah resapan untuk membuat simpang PN pada substrat kristal tunggal.
3. Digabungkan dengan teknologi topeng, pertumbuhan epitaksi terpilih dilakukan di kawasan yang ditetapkan, mewujudkan keadaan untuk pengeluaran litar bersepadu dan peranti dengan struktur khas.
4. Jenis dan kepekatan doping boleh diubah mengikut keperluan semasa proses pertumbuhan epitaksi. Perubahan kepekatan boleh jadi perubahan secara tiba-tiba atau perubahan perlahan.
5. Ia boleh menumbuhkan sebatian heterogen, berbilang lapisan, berbilang komponen dan lapisan ultra nipis dengan komponen yang berubah-ubah.
6. Pertumbuhan epitaksial boleh dilakukan pada suhu yang lebih rendah daripada takat lebur bahan, kadar pertumbuhan boleh dikawal, dan pertumbuhan epitaksial pada ketebalan aras atom boleh dicapai.
7. Ia boleh menumbuhkan bahan kristal tunggal yang tidak boleh ditarik, seperti GaN, lapisan kristal tunggal sebatian tertiari dan kuaternari, dsb.