Cum ajută straturile epitaxiale dispozitivele semiconductoare?

Originea numelui plachetă epitaxială

În primul rând, să popularizăm un mic concept: prepararea plachetelor include două verigi majore: prepararea substratului și procesul epitaxial. Substratul este o plachetă realizată dintr-un material semiconductor monocristal. Substratul poate intra direct în procesul de fabricație a plachetelor pentru a produce dispozitive semiconductoare sau poate fi procesat prin procese epitaxiale pentru a produce plachete epitaxiale. Epitaxia se referă la procesul de creștere a unui nou strat de monocristal pe un substrat monocristal care a fost prelucrat cu atenție prin tăiere, șlefuire, lustruire etc. Noul monocristal poate fi din același material ca și substratul sau poate fi dintr-un material diferit (omogen) (epitaxie sau heteroepitaxie). Deoarece noul strat monocristalin se extinde și crește în funcție de faza cristalină a substratului, acesta se numește strat epitaxial (grosimea este de obicei de câțiva microni, luând ca exemplu siliciul: creșterea epitaxială a siliciului se referă la un substrat monocristalin de siliciu cu o anumită orientare cristalină. Un strat de cristal cu o bună integritate a structurii rețelei și rezistivități și grosimi diferite, cu aceeași orientare cristalină ca și substratul, este crescut), iar substratul cu stratul epitaxial se numește plachetă epitaxială (plachetă epitaxială = strat epitaxial + substrat). Când dispozitivul este realizat pe stratul epitaxial, se numește epitaxie pozitivă. Dacă dispozitivul este realizat pe substrat, se numește epitaxie inversă. În acest moment, stratul epitaxial joacă doar un rol de susținere.

Napolitană lustruită

Metode de creștere epitaxială

Epitaxia cu fascicul molecular (MBE): Este o tehnologie de creștere epitaxială a semiconductorilor efectuată în condiții de vid ultra-înalt. În această tehnică, materialul sursă este evaporat sub forma unui fascicul de atomi sau molecule și apoi depus pe un substrat cristalin. MBE este o tehnologie de creștere a peliculelor subțiri de semiconductori foarte precisă și controlabilă, care poate controla cu precizie grosimea materialului depus la nivel atomic.
Depunere chimică de vapori metal-organici (MOCVD): În procesul MOCVD, metalul organic și gazul hidrură N2 care conțin elementele necesare sunt furnizate substratului la o temperatură adecvată, trec printr-o reacție chimică pentru a genera materialul semiconductor necesar și sunt depuse pe substrat, în timp ce compușii și produșii de reacție rămași sunt evacuați.
Epitaxia în fază de vapori (VPE): Epitaxia în fază de vapori este o tehnologie importantă utilizată în mod obișnuit în producția de dispozitive semiconductoare. Principiul de bază este de a transporta vaporii de substanțe sau compuși elementari într-un gaz purtător și de a depune cristale pe substrat prin reacții chimice.

Ce probleme rezolvă procesul de epitaxie?

Doar materialele monocristaline în vrac nu pot satisface nevoile tot mai mari de fabricare a diverselor dispozitive semiconductoare. Prin urmare, creșterea epitaxială, o tehnologie de creștere a materialelor monocristaline în strat subțire, a fost dezvoltată la sfârșitul anului 1959. Așadar, ce contribuție specifică are tehnologia epitaxiei la progresul materialelor?

Pentru siliciu, odată cu apariția tehnologiei de creștere epitaxială a siliciului, a fost o perioadă cu adevărat dificilă pentru producerea de tranzistoare de înaltă frecvență și putere din siliciu. Din perspectiva principiilor tranzistoarelor, pentru a obține o frecvență înaltă și o putere mare, tensiunea de străpungere a zonei colectorului trebuie să fie mare, iar rezistența serie trebuie să fie mică, adică căderea de tensiune de saturație trebuie să fie mică. Prima necesită ca rezistivitatea materialului din zona colectorului să fie mare, în timp ce a doua necesită ca rezistivitatea materialului din zona colectorului să fie mică. Cele două cerințe sunt contradictorii. Dacă grosimea materialului din zona colectorului este redusă pentru a reduce rezistența serie, placheta de siliciu va fi prea subțire și fragilă pentru a fi procesată. Dacă rezistivitatea materialului este redusă, aceasta va contrazice prima cerință. Cu toate acestea, dezvoltarea tehnologiei epitaxiale a rezolvat cu succes această dificultate.

Soluție: Se dezvoltă un strat epitaxial de înaltă rezistivitate pe un substrat cu rezistență extrem de scăzută și se realizează dispozitivul pe stratul epitaxial. Acest strat epitaxial de înaltă rezistivitate asigură o tensiune de străpungere ridicată a tubului, în timp ce substratul cu rezistență scăzută reduce și rezistența substratului, reducând astfel căderea de tensiune de saturație și rezolvând astfel contradicția dintre cele două.

În plus, tehnologiile de epitaxie, cum ar fi epitaxia în fază de vapori și epitaxia în fază lichidă a GaAs și a altor materiale semiconductoare compuse moleculare III-V, II-VI și a altor materiale semiconductoare compuse moleculare, au fost, de asemenea, foarte dezvoltate și au devenit baza pentru majoritatea dispozitivelor cu microunde, dispozitivelor optoelectronice, dispozitivelor de putere. Este o tehnologie de proces indispensabilă pentru producerea de dispozitive, în special aplicarea cu succes a tehnologiei de epitaxie în fază de vapori cu fascicul molecular și metalo-organic în straturi subțiri, superrețele, puțuri cuantice, superrețele tensionate și epitaxie în strat subțire la nivel atomic, ceea ce reprezintă un nou pas în cercetarea semiconductorilor. Dezvoltarea „inginerii centurii energetice” în domeniu a pus o bază solidă.

În aplicațiile practice, dispozitivele semiconductoare cu bandă interzisă largă sunt aproape întotdeauna realizate pe stratul epitaxial, iar placheta de carbură de siliciu în sine servește doar drept substrat. Prin urmare, controlul stratului epitaxial este o parte importantă a industriei semiconductorilor cu bandă interzisă largă.

7 abilități majore în tehnologia epitaxiei

1. Straturile epitaxiale cu rezistență ridicată (scăzută) pot fi crescute epitaxial pe substraturi cu rezistență scăzută (ridicată).
2. Stratul epitaxial de tip N(P) poate fi crescut epitaxial pe substratul de tip P(N) pentru a forma direct o joncțiune PN. Nu există nicio problemă de compensare atunci când se utilizează metoda de difuzie pentru a realiza o joncțiune PN pe un substrat monocristalin.
3. În combinație cu tehnologia măștilor, creșterea epitaxială selectivă se realizează în zone desemnate, creând condiții pentru producerea de circuite integrate și dispozitive cu structuri speciale.
4. Tipul și concentrația dopării pot fi modificate în funcție de necesități în timpul procesului de creștere epitaxială. Modificarea concentrației poate fi bruscă sau lentă.
5. Poate crește compuși eterogeni, multistratificați, multicomponenti și straturi ultrasubțiri cu componente variabile.
6. Creșterea epitaxială poate fi efectuată la o temperatură mai mică decât punctul de topire al materialului, rata de creștere este controlabilă și se poate obține o creștere epitaxială a grosimii la nivel atomic.
7. Poate crește materiale monocristaline care nu pot fi extrase, cum ar fi GaN, straturi monocristaline de compuși terțiari și cuaternari etc.