Como as camadas epitaxiais auxiliam os dispositivos semicondutores?

A origem do nome wafer epitaxial

Primeiramente, vamos popularizar um conceito simples: a preparação de wafers envolve duas etapas principais: a preparação do substrato e o processo epitaxial. O substrato é um wafer feito de material semicondutor monocristalino. O substrato pode entrar diretamente no processo de fabricação de wafers para produzir dispositivos semicondutores, ou pode ser processado por processos epitaxiais para produzir wafers epitaxiais. Epitaxia refere-se ao processo de crescimento de uma nova camada de monocristal sobre um substrato monocristalino que foi cuidadosamente processado por meio de corte, retificação, polimento, etc. O novo monocristal pode ser do mesmo material que o substrato, ou pode ser de um material diferente (epitaxia homogênea ou heteroepitaxia). Como a nova camada monocristalina se estende e cresce de acordo com a fase cristalina do substrato, ela é chamada de camada epitaxial (a espessura geralmente é de alguns micrômetros; tomando o silício como exemplo: o crescimento epitaxial do silício significa que, sobre um substrato monocristalino de silício com uma determinada orientação cristalina, cresce uma camada de cristal com boa integridade da estrutura cristalina, resistividade diferente e espessura com a mesma orientação cristalina do substrato). O substrato com a camada epitaxial é chamado de wafer epitaxial (wafer epitaxial = camada epitaxial + substrato). Quando o dispositivo é fabricado sobre a camada epitaxial, é chamado de epitaxia positiva. Se o dispositivo for fabricado sobre o substrato, é chamado de epitaxia reversa. Nesse caso, a camada epitaxial desempenha apenas um papel de suporte.

wafer polido

Métodos de crescimento epitaxial

Epitaxia por feixe molecular (MBE): É uma tecnologia de crescimento epitaxial de semicondutores realizada em condições de ultra-alto vácuo. Nessa técnica, o material de origem é evaporado na forma de um feixe de átomos ou moléculas e, em seguida, depositado sobre um substrato cristalino. A MBE é uma tecnologia de crescimento de filmes finos de semicondutores muito precisa e controlável, que permite controlar com exatidão a espessura do material depositado em nível atômico.
Deposição química de vapor metalorgânica (MOCVD): No processo MOCVD, um metal orgânico e um gás hidreto (N₂) contendo os elementos necessários são fornecidos ao substrato a uma temperatura adequada, onde sofrem uma reação química para gerar o material semicondutor desejado, que é então depositado sobre o substrato. Os compostos restantes e os produtos da reação são descartados.
Epitaxia em fase vapor (VPE): A epitaxia em fase vapor é uma importante tecnologia comumente usada na produção de dispositivos semicondutores. O princípio básico consiste em transportar o vapor de substâncias ou compostos elementares em um gás de arraste e depositar cristais no substrato por meio de reações químicas.

Que problemas o processo de epitaxia resolve?

Somente materiais monocristalinos em grande escala não conseguem atender às crescentes necessidades de fabricação de diversos dispositivos semicondutores. Portanto, o crescimento epitaxial, uma tecnologia de crescimento de materiais monocristalinos em camadas finas, foi desenvolvido no final de 1959. Qual a contribuição específica da tecnologia de epitaxia para o avanço dos materiais?

Para o silício, quando a tecnologia de crescimento epitaxial começou, foi um período realmente difícil para a produção de transistores de silício de alta frequência e alta potência. Do ponto de vista dos princípios do transistor, para obter alta frequência e alta potência, a tensão de ruptura da área do coletor deve ser alta e a resistência em série deve ser baixa, ou seja, a queda de tensão de saturação deve ser pequena. A primeira condição exige que a resistividade do material na área do coletor seja alta, enquanto a segunda exige que a resistividade do material na área do coletor seja baixa. As duas condições são contraditórias. Se a espessura do material na área do coletor for reduzida para diminuir a resistência em série, o wafer de silício ficará muito fino e frágil para ser processado. Se a resistividade do material for reduzida, isso contradiz a primeira condição. No entanto, o desenvolvimento da tecnologia epitaxial resolveu com sucesso essa dificuldade.

Solução: Cultivar uma camada epitaxial de alta resistividade sobre um substrato de resistência extremamente baixa e fabricar o dispositivo sobre essa camada epitaxial. Essa camada epitaxial de alta resistividade garante que o transistor tenha uma alta tensão de ruptura, enquanto o substrato de baixa resistividade também reduz a resistência do substrato, diminuindo assim a queda de tensão de saturação e resolvendo a contradição entre os dois.

Além disso, tecnologias de epitaxia, como a epitaxia em fase vapor e a epitaxia em fase líquida de GaAs e outros materiais semicondutores compostos moleculares III-V, II-VI e outros, também foram amplamente desenvolvidas e se tornaram a base para a maioria dos dispositivos de micro-ondas, dispositivos optoeletrônicos e dispositivos de potência. Trata-se de uma tecnologia de processo indispensável para a produção desses dispositivos, especialmente a aplicação bem-sucedida da tecnologia de feixe molecular e epitaxia em fase vapor metalorgânica em camadas finas, super-redes, poços quânticos, super-redes tensionadas e epitaxia em nível atômico de camadas finas, o que representa um novo passo na pesquisa de semicondutores. O desenvolvimento da "engenharia de cinturão energético" na área estabeleceu uma base sólida.

Em aplicações práticas, os dispositivos semicondutores de banda proibida larga são quase sempre fabricados na camada epitaxial, sendo o próprio wafer de carbeto de silício apenas um substrato. Portanto, o controle da camada epitaxial é uma parte importante da indústria de semicondutores de banda proibida larga.

7 principais habilidades em tecnologia de epitaxia

1. Camadas epitaxiais de alta (baixa) resistência podem ser cultivadas epitaxialmente em substratos de baixa (alta) resistência.
2. A camada epitaxial do tipo N (P) pode ser cultivada epitaxialmente sobre o substrato do tipo P (N) para formar uma junção PN diretamente. Não há problema de compensação ao usar o método de difusão para fazer uma junção PN em um substrato monocristalino.
3. Combinada com a tecnologia de máscaras, a epitaxia seletiva é realizada em áreas designadas, criando condições para a produção de circuitos integrados e dispositivos com estruturas especiais.
4. O tipo e a concentração de dopagem podem ser alterados de acordo com as necessidades durante o processo de crescimento epitaxial. A mudança na concentração pode ser repentina ou gradual.
5. Pode produzir compostos heterogêneos, multicamadas e multicomponentes, bem como camadas ultrafinas com componentes variáveis.
6. O crescimento epitaxial pode ser realizado a uma temperatura inferior ao ponto de fusão do material, a taxa de crescimento é controlável e é possível obter crescimento epitaxial com espessura em nível atômico.
7. Pode cultivar materiais monocristalinos que não podem ser estirados, como GaN, camadas monocristalinas de compostos terciários e quaternários, etc.