Geneza nazwy płytki epitaksjalnej
Najpierw spopularyzujmy prostą koncepcję: przygotowanie płytki półprzewodnikowej obejmuje dwa główne ogniwa: przygotowanie podłoża i proces epitaksjalny. Podłoże to płytka wykonana z monokrystalicznego materiału półprzewodnikowego. Podłoże może bezpośrednio trafić do procesu produkcji płytek, aby wytworzyć urządzenia półprzewodnikowe, lub może zostać przetworzone w procesach epitaksjalnych, aby uzyskać płytki epitaksjalne. Epitaksja odnosi się do procesu wytwarzania nowej warstwy monokryształu na podłożu monokrystalicznym, które zostało starannie obrobione poprzez cięcie, szlifowanie, polerowanie itp. Nowy monokryształ może być wykonany z tego samego materiału co podłoże lub z innego materiału (jednorodny – epitaksja lub heteroepitaksja). Ponieważ nowa warstwa monokrystaliczna rozszerza się i rośnie zgodnie z fazą krystaliczną podłoża, nazywa się ją warstwą epitaksjalną (grubość wynosi zwykle kilka mikronów, biorąc krzem jako przykład: znaczenie wzrostu epitaksjalnego krzemu to na podłożu monokrystalicznym krzemu o określonej orientacji kryształu. Wyrasta warstwa kryształu o dobrej integralności struktury sieci krystalicznej i różnej rezystywności oraz grubości przy tej samej orientacji kryształu co podłoże), a podłoże z warstwą epitaksjalną nazywa się płytką epitaksjalną (płytka epitaksjalna = warstwa epitaksjalna + podłoże). Gdy urządzenie jest wykonane na warstwie epitaksjalnej, nazywa się to epitaksją dodatnią. Jeśli urządzenie jest wykonane na podłożu, nazywa się to epitaksją odwróconą. W tym czasie warstwa epitaksjalna pełni jedynie rolę pomocniczą.
Polerowany wafel
Metody wzrostu epitaksjalnego
Epitaksja z wiązek molekularnych (MBE): Technologia epitaksji półprzewodników, realizowana w warunkach ultrawysokiej próżni. W tej technice materiał źródłowy jest odparowywany w postaci wiązki atomów lub cząsteczek, a następnie osadzany na podłożu krystalicznym. MBE to bardzo precyzyjna i kontrolowana technologia wzrostu cienkich warstw półprzewodników, która pozwala precyzyjnie kontrolować grubość osadzanego materiału na poziomie atomowym.
Metaloorganiczne CVD (MOCVD): W procesie MOCVD metal organiczny i gaz wodorkowy N zawierający wymagane pierwiastki są dostarczane do podłoża w odpowiedniej temperaturze, podlegają reakcji chemicznej w celu wytworzenia wymaganego materiału półprzewodnikowego, a następnie osadzają się na podłożu, podczas gdy pozostałe związki i produkty reakcji są usuwane.
Epitaksja z fazy gazowej (VPE): Epitaksja z fazy gazowej to ważna technologia powszechnie stosowana w produkcji urządzeń półprzewodnikowych. Jej podstawową zasadą jest transport pary pierwiastków lub związków chemicznych w gazie nośnym i osadzanie kryształów na podłożu poprzez reakcje chemiczne.
Jakie problemy rozwiązuje proces epitaksji?
Tylko monokrystaliczne materiały masowe nie są w stanie sprostać rosnącym potrzebom w zakresie produkcji różnorodnych urządzeń półprzewodnikowych. Dlatego pod koniec 1959 roku opracowano epitaksjalny wzrost, technologię wzrostu cienkowarstwowych monokrystalicznych materiałów. Jaki zatem konkretny wkład w rozwój materiałów ma technologia epitaksji?
W przypadku krzemu, kiedy technologia epitaksjalnego wzrostu krzemu rozpoczęła się, produkcja krzemowych tranzystorów wysokiej częstotliwości i dużej mocy była naprawdę trudna. Z punktu widzenia zasad działania tranzystorów, aby uzyskać wysoką częstotliwość i dużą moc, napięcie przebicia w obszarze kolektora musi być wysokie, a rezystancja szeregowa musi być mała, czyli spadek napięcia nasycenia musi być mały. Pierwsze wymaga wysokiej rezystywności materiału w obszarze kolektora, podczas gdy drugie wymaga niskiej rezystywności materiału w obszarze kolektora. Te dwa wymagania są ze sobą sprzeczne. Jeśli grubość materiału w obszarze kolektora zostanie zmniejszona w celu zmniejszenia rezystancji szeregowej, płytka krzemowa będzie zbyt cienka i krucha, aby można ją było przetwarzać. Zmniejszenie rezystywności materiału będzie sprzeczne z pierwszym wymaganiem. Jednakże rozwój technologii epitaksjalnej zakończył się sukcesem i rozwiązał ten problem.
Rozwiązanie: Wytworzyć warstwę epitaksjalną o wysokiej rezystywności na podłożu o ekstremalnie niskiej rezystancji i wykonać urządzenie na tej warstwie. Ta warstwa epitaksjalna o wysokiej rezystywności zapewnia lampie wysokie napięcie przebicia, a podłoże o niskiej rezystancji zmniejsza również rezystancję podłoża, redukując tym samym spadek napięcia nasycenia i rozwiązując tym samym sprzeczność między tymi dwoma zjawiskami.
Ponadto technologie epitaksji, takie jak epitaksja z fazy gazowej i ciekłej GaAs i innych półprzewodników III-V, II-VI i innych związków molekularnych, zostały również znacznie rozwinięte i stały się podstawą większości urządzeń mikrofalowych, urządzeń optoelektronicznych, układów zasilania. Jest to niezbędna technologia procesowa do produkcji urządzeń, zwłaszcza udane zastosowanie technologii epitaksji z fazy gazowej wiązek molekularnych i związków metaloorganicznych w cienkich warstwach, supersieciach, studniach kwantowych, supersieciach naprężonych i epitaksji cienkowarstwowej na poziomie atomowym, co stanowi nowy krok w badaniach nad półprzewodnikami. Rozwój „inżynierii pasa energetycznego” w tej dziedzinie położył solidne podwaliny.
W zastosowaniach praktycznych, półprzewodniki szerokopasmowe są niemal zawsze wytwarzane na warstwie epitaksjalnej, a sam wafel z węglika krzemu służy jedynie jako podłoże. Dlatego kontrola warstwy epitaksjalnej jest ważnym elementem przemysłu półprzewodników szerokopasmowych.
7 głównych umiejętności w technologii epitaksji
1. Warstwy epitaksjalne o wysokiej (niskiej) rezystancji można nanosić epitaksjalnie na podłoża o niskiej (wysokiej) rezystancji.
2. Warstwę epitaksjalną typu N(P) można nanieść epitaksjalnie na podłoże typu P(N), tworząc bezpośrednio złącze PN. Nie występuje problem kompensacji przy zastosowaniu metody dyfuzyjnej do utworzenia złącza PN na podłożu monokrystalicznym.
3. W połączeniu z technologią maskową, selektywny wzrost epitaksjalny przeprowadzany jest w wyznaczonych obszarach, co stwarza warunki do produkcji układów scalonych i urządzeń o specjalnej strukturze.
4. Rodzaj i stężenie domieszek można zmieniać w zależności od potrzeb podczas procesu wzrostu epitaksjalnego. Zmiana stężenia może być nagła lub powolna.
5. Może tworzyć heterogeniczne, wielowarstwowe, wieloskładnikowe związki i ultracienkie warstwy o zmiennych składnikach.
6. Wzrost epitaksjalny można przeprowadzić w temperaturze niższej niż temperatura topnienia materiału, szybkość wzrostu jest kontrolowana, a wzrost epitaksjalny grubości na poziomie atomowym można osiągnąć.
7. Może wytwarzać materiały monokrystaliczne, których nie można wyciągnąć, takie jak GaN, warstwy monokrystaliczne związków trzeciorzędowych i czwartorzędowych itp.
Czas publikacji: 13 maja 2024 r.