Como as camadas epitaxiais ajudam os dispositivos semicondutores?

A origem do nome wafer epitaxial

Primeiro, vamos popularizar um pequeno conceito: a preparação de wafers envolve dois elos principais: a preparação do substrato e o processo epitaxial. O substrato é um wafer feito de um 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 cuidadosamente processado por corte, retificação, polimento, etc. O novo monocristal pode ser do mesmo material que o substrato ou de um material diferente (epitaxia homogênea ou heteroepitaxia). Como a nova camada de cristal único se estende e cresce de acordo com a fase cristalina do substrato, ela é chamada de camada epitaxial (a espessura geralmente é de alguns mícrons, tomando o silício como exemplo: o significado do crescimento epitaxial de silício está em um substrato de cristal único de silício com uma certa orientação cristalina. Uma camada de cristal com boa integridade da estrutura de rede e resistividade e espessura diferentes com a mesma orientação cristalina que o substrato é cultivada), e o substrato com a camada epitaxial é chamado de wafer epitaxial (wafer epitaxial = camada epitaxial + substrato). Quando o dispositivo é feito na camada epitaxial, é chamado de epitaxia positiva. Se o dispositivo é feito no substrato, é chamado de epitaxia reversa. Neste momento, a camada epitaxial desempenha apenas uma função de suporte.

Bolacha polida

Métodos de crescimento epitaxial

Epitaxia por feixe molecular (MBE): É uma tecnologia de crescimento epitaxial de semicondutores realizada sob 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 semicondutores muito precisa e controlável, que permite controlar com precisão a espessura do material depositado em nível atômico.
CVD orgânico metálico (MOCVD): No processo MOCVD, o metal orgânico e o gás hidreto N contendo os elementos necessários são fornecidos ao substrato em uma temperatura apropriada, passam por uma reação química para gerar o material semicondutor necessário e são depositados no substrato, enquanto os compostos e produtos de reação restantes são descarregados.
Epitaxia em fase de vapor (EVP): A epitaxia em fase de vapor é uma tecnologia importante comumente utilizada na produção de dispositivos semicondutores. O princípio básico é transportar o vapor de substâncias ou compostos elementares em um gás transportador e depositar cristais no substrato por meio de reações químicas.

Quais problemas o processo de epitaxia resolve?

Somente materiais monocristais a granel não conseguem atender às crescentes necessidades de fabricação de diversos dispositivos semicondutores. Por isso, o crescimento epitaxial, uma tecnologia de crescimento de materiais monocristais em camada fina, foi desenvolvido no final de 1959. Então, qual a contribuição específica da tecnologia epitaxial para o avanço dos materiais?

Para o silício, quando a tecnologia de crescimento epitaxial de silício começou, a produção de transistores de silício de alta frequência e alta potência foi realmente difícil. Do ponto de vista dos princípios dos transistores, 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 pequena, ou seja, a queda de tensão de saturação deve ser pequena. A primeira 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 províncias são contraditórias entre si. Se a espessura do material na área do coletor for reduzida para reduzir a resistência em série, a pastilha de silício será muito fina e frágil para ser processada. Se a resistividade do material for reduzida, isso contradiz o primeiro requisito. No entanto, o desenvolvimento da tecnologia epitaxial foi bem-sucedido. resolveu essa dificuldade.

Solução: Cultive uma camada epitaxial de alta resistividade sobre um substrato de baixíssima resistência e construa o dispositivo sobre essa camada epitaxial. Essa camada epitaxial de alta resistividade garante que o tubo tenha uma alta tensão de ruptura, enquanto o substrato de baixa resistência também reduz a resistência do substrato, reduzindo assim a queda de tensão de saturação, resolvendo assim a contradição entre os dois.

Além disso, tecnologias de epitaxia, como epitaxia em fase de vapor e 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 energia. É uma tecnologia de processo indispensável para a produção de dispositivos, especialmente a aplicação bem-sucedida da tecnologia de epitaxia em fase de vapor de feixe molecular e metal orgânico em camadas finas, super-redes, poços quânticos, super-redes tensionadas e epitaxia de camada fina em nível atômico, o que representa um novo passo na pesquisa de semicondutores. O desenvolvimento da "engenharia de cinturão de energia" nesse campo estabeleceu uma base sólida.

Em aplicações práticas, dispositivos semicondutores de banda larga são quase sempre fabricados na camada epitaxial, e a própria pastilha de carboneto de silício serve apenas como substrato. Portanto, o controle da camada epitaxial é uma parte importante da indústria de semicondutores de banda 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 no substrato do tipo P(N) para formar uma junção PN diretamente. Não há problema de compensação ao usar o método de difusão para criar uma junção PN em um substrato monocristalino.
3. Combinado com a tecnologia de máscara, o crescimento epitaxial seletivo é realizado em áreas designadas, criando condições para a produção de circuitos integrados e dispositivos com estruturas especiais.
4. O tipo e a concentração da dopagem podem ser alterados de acordo com as necessidades durante o processo de crescimento epitaxial. A mudança na concentração pode ser repentina ou lenta.
5. Pode produzir compostos heterogêneos, multicamadas e multicomponentes, além de camadas ultrafinas com componentes variáveis.
6. O crescimento epitaxial pode ser realizado em uma temperatura menor que o ponto de fusão do material, a taxa de crescimento é controlável e o crescimento epitaxial de espessura em nível atômico pode ser alcançado.
7. Pode cultivar materiais monocristais que não podem ser puxados, como GaN, camadas monocristalinas de compostos terciários e quaternários, etc.