Op welke manier dragen epitaxiale lagen bij aan de ontwikkeling van halfgeleiderapparaten?

De oorsprong van de naam epitaxiale wafer

Laten we eerst een klein concept verduidelijken: waferpreparatie omvat twee belangrijke stappen: substraatpreparatie en het epitaxiale proces. Het substraat is een wafer gemaakt van een halfgeleidend eenkristalmateriaal. Het substraat kan direct in het waferproductieproces worden gebruikt om halfgeleidercomponenten te produceren, of het kan via epitaxiale processen worden bewerkt om epitaxiale wafers te produceren. Epitaxie verwijst naar het proces waarbij een nieuwe laag eenkristal wordt gegroeid op een eenkristalsubstraat dat zorgvuldig is bewerkt door snijden, slijpen, polijsten, enz. Het nieuwe eenkristal kan van hetzelfde materiaal zijn als het substraat, of van een ander materiaal (homogene epitaxie of hetero-epitaxie). Omdat de nieuwe enkelkristallijne laag zich uitbreidt en groeit volgens de kristalfase van het substraat, wordt deze een epitaxiale laag genoemd (de dikte is meestal een paar micron; silicium als voorbeeld: bij siliciumepitaxiale groei wordt op een siliciumsubstraat met een bepaalde kristaloriëntatie een laag gevormd met een goede roosterstructuur, een andere soortelijke weerstand en dikte, maar met dezelfde kristaloriëntatie als het substraat). Het substraat met de epitaxiale laag wordt een epitaxiale wafer genoemd (epitaxiale wafer = epitaxiale laag + substraat). Wanneer het apparaat op de epitaxiale laag wordt gemaakt, spreekt men van positieve epitaxie. Als het apparaat op het substraat wordt gemaakt, spreekt men van omgekeerde epitaxie. In dat geval speelt de epitaxiale laag alleen een ondersteunende rol.

Gepolijste wafer

Epitaxiale groeimethoden

Moleculaire bundelepitaxie (MBE): Dit is een epitaxiale halfgeleidergroeitechnologie die wordt uitgevoerd onder ultrahoge vacuümomstandigheden. Bij deze techniek wordt bronmateriaal in de vorm van een bundel atomen of moleculen verdampt en vervolgens afgezet op een kristallijn substraat. MBE is een zeer precieze en beheersbare halfgeleidergroeitechnologie waarmee de dikte van het afgezette materiaal tot op atomair niveau nauwkeurig kan worden geregeld.
Metaal-organische CVD (MOCVD): Bij het MOCVD-proces worden organische metalen en stikstofgas (N₂) met de benodigde elementen naar het substraat geleid bij een geschikte temperatuur. Daar vindt een chemische reactie plaats waarbij het gewenste halfgeleidermateriaal wordt gevormd en op het substraat wordt afgezet, terwijl de resterende verbindingen en reactieproducten worden afgevoerd.
Dampfase-epitaxie (VPE): Dampfase-epitaxie is een belangrijke technologie die veelvuldig wordt gebruikt bij de productie van halfgeleidercomponenten. Het basisprincipe is het transporteren van dampen van elementaire stoffen of verbindingen in een draaggas, en het afzetten van kristallen op het substraat door middel van chemische reacties.

Welke problemen lost het epitaxieproces op?

Massieve, enkelkristallijne materialen kunnen niet langer voldoen aan de groeiende vraag naar de productie van diverse halfgeleidercomponenten. Daarom werd eind 1959 de epitaxiale groeitechnologie ontwikkeld, een technologie voor de groei van dunne, enkelkristallijne materialen. Wat is nu precies de bijdrage van de epitaxiale technologie aan de vooruitgang in materiaalkunde?

Voor silicium was de ontwikkeling van hoogfrequente en hoogvermogenstransistors een zeer lastige periode toen de epitaxiale groeitechnologie van silicium begon. Vanuit het perspectief van de transistorprincipes is het voor het bereiken van een hoge frequentie en een hoog vermogen noodzakelijk om de doorslagspanning van het collectorgebied hoog te houden en de serieweerstand laag te houden, oftewel de verzadigingsspanningsval te minimaliseren. Het eerste vereist een hoge soortelijke weerstand van het materiaal in het collectorgebied, terwijl het tweede juist een lage soortelijke weerstand vereist. Deze twee eisen zijn tegenstrijdig. Als de dikte van het materiaal in het collectorgebied wordt verminderd om de serieweerstand te verlagen, wordt de siliciumwafer te dun en te kwetsbaar om te verwerken. Het verlagen van de soortelijke weerstand van het materiaal is daarentegen in strijd met de eerste eis. De ontwikkeling van de epitaxiale technologie heeft deze moeilijkheid echter succesvol opgelost.

Oplossing: Breng een epitaxiale laag met hoge weerstand aan op een substraat met extreem lage weerstand en bouw het apparaat op deze epitaxiale laag. Deze epitaxiale laag met hoge weerstand zorgt ervoor dat de buis een hoge doorslagspanning heeft, terwijl het substraat met lage weerstand ook de weerstand van het substraat verlaagt, waardoor de spanningsval bij verzadiging afneemt en de tegenstrijdigheid tussen beide wordt opgelost.

Daarnaast zijn epitaxietechnologieën zoals dampfase-epitaxie en vloeistoffase-epitaxie van GaAs en andere III-V-, II-VI- en andere moleculaire halfgeleidermaterialen sterk ontwikkeld en vormen ze de basis voor de meeste microgolfapparaten, opto-elektronische apparaten en vermogenselektronica. Het is een onmisbare procestechnologie voor de productie van deze apparaten, met name de succesvolle toepassing van moleculaire bundel- en metaalorganische dampfase-epitaxietechnologie in dunne lagen, superroosters, kwantumputten, gespannen superroosters en epitaxie van dunne lagen op atomair niveau. Dit is een nieuwe stap in het halfgeleideronderzoek en heeft een solide basis gelegd voor de ontwikkeling van de "energiegordeltechniek" op dit gebied.

In de praktijk worden halfgeleidercomponenten met een brede bandgap vrijwel altijd op de epitaxiale laag vervaardigd, waarbij de siliciumcarbide wafer zelf slechts als substraat dient. Daarom is de beheersing van de epitaxiale laag een belangrijk onderdeel van de halfgeleiderindustrie met brede bandgap.

7 belangrijke vaardigheden in epitaxietechnologie

1. Epitaxiale lagen met hoge (lage) weerstand kunnen epitaxiaal worden gegroeid op substraten met lage (hoge) weerstand.
2. De epitaxiale laag van het N (P)-type kan epitaxiaal op het P (N)-type substraat worden gegroeid om direct een PN-junctie te vormen. Er is geen compensatieprobleem bij het gebruik van de diffusiemethode om een ​​PN-junctie op een enkelkristalsubstraat te maken.
3. In combinatie met maskertechnologie wordt selectieve epitaxiale groei uitgevoerd in specifieke gebieden, waardoor de voorwaarden worden gecreëerd voor de productie van geïntegreerde schakelingen en apparaten met speciale structuren.
4. Het type en de concentratie van de dotering kunnen tijdens het epitaxiale groeiproces naar behoefte worden aangepast. De concentratieverandering kan abrupt of geleidelijk plaatsvinden.
5. Het kan heterogene, meerlaagse, meercomponentenverbindingen en ultradunne lagen met variabele componenten laten groeien.
6. Epitaxiale groei kan worden uitgevoerd bij een temperatuur lager dan het smeltpunt van het materiaal, de groeisnelheid is regelbaar en er kan epitaxiale groei met een dikte op atomair niveau worden bereikt.
7. Het kan materialen met een enkel kristalstructuur laten groeien die niet getrokken kunnen worden, zoals GaN, enkelkristallagen van tertiaire en quaternaire verbindingen, enzovoort.