Ako epitaxné vrstvy pomáhajú polovodičovým súčiastkam?

Pôvod názvu epitaxná doska

Najprv si spopularizujme malý koncept: príprava doštičky zahŕňa dva hlavné články: prípravu substrátu a epitaxný proces. Substrát je doštička vyrobená z polovodičového monokryštálového materiálu. Substrát môže priamo vstúpiť do procesu výroby doštičky na výrobu polovodičových zariadení alebo môže byť spracovaný epitaxnými procesmi na výrobu epitaxných doštičiek. Epitaxia označuje proces pestovania novej vrstvy monokryštálu na monokryštálovom substráte, ktorý bol starostlivo spracovaný rezaním, brúsením, leštením atď. Nový monokryštál môže byť z rovnakého materiálu ako substrát alebo môže byť z iného materiálu (homogénna epitaxia alebo heteroepitaxia). Pretože nová monokryštalická vrstva sa rozširuje a rastie podľa kryštalickej fázy substrátu, nazýva sa epitaxná vrstva (hrúbka je zvyčajne niekoľko mikrónov, napríklad kremík: epitaxný rast kremíka znamená rast na kremíkovom monokryštalickom substráte s určitou kryštalickou orientáciou. Ide o kryštalickú vrstvu s dobrou integritou mriežkovej štruktúry, rôznou rezistivitou a hrúbkou, ktorá má rovnakú kryštalickú orientáciu ako substrát) a substrát s epitaxnou vrstvou sa nazýva epitaxná doska (epitaxná doska = epitaxná vrstva + substrát). Keď je zariadenie vyrobené na epitaxnej vrstve, nazýva sa to pozitívna epitaxia. Ak je zariadenie vyrobené na substráte, nazýva sa to reverzná epitaxia. V tomto prípade epitaxná vrstva zohráva iba podpornú úlohu.

Leštená oblátka

Metódy epitaxného rastu

Molekulárna lúčová epitaxia (MBE): Ide o technológiu epitaxného rastu polovodičov vykonávanú za podmienok ultravysokého vákua. Pri tejto technike sa zdrojový materiál odparuje vo forme lúča atómov alebo molekúl a potom sa nanáša na kryštalický substrát. MBE je veľmi presná a kontrolovateľná technológia rastu tenkých polovodičových vrstiev, ktorá dokáže presne kontrolovať hrúbku nanášaného materiálu na atómovej úrovni.
Organokovové CVD (MOCVD): V procese MOCVD sa organický kov a hydridový plyn N2 obsahujúci požadované prvky privádzajú na substrát pri vhodnej teplote, podliehajú chemickej reakcii za vzniku požadovaného polovodičového materiálu a nanášajú sa na substrát, zatiaľ čo zostávajúce zlúčeniny a reakčné produkty sa vypúšťajú.
Epitaxia v plynnej fáze (VPE): Epitaxia v plynnej fáze je dôležitá technológia bežne používaná pri výrobe polovodičových súčiastok. Základným princípom je transport pár elementárnych látok alebo zlúčenín v nosnom plyne a ukladanie kryštálov na substrát prostredníctvom chemických reakcií.

Aké problémy rieši proces epitaxie?

Iba objemové monokryštálové materiály nedokážu uspokojiť rastúce potreby výroby rôznych polovodičových súčiastok. Preto bola koncom roka 1959 vyvinutá epitaxná technológia rastu tenkovrstvových monokryštálových materiálov. Aký je teda konkrétny prínos epitaxnej technológie k pokroku v oblasti materiálov?

Pre kremík, keď sa začala technológia epitaxného rastu kremíka, to bolo skutočne ťažké obdobie pre výrobu kremíkových vysokofrekvenčných a vysokovýkonných tranzistorov. Z hľadiska princípov tranzistorov, na dosiahnutie vysokej frekvencie a vysokého výkonu musí byť prierazné napätie v kolektorovej oblasti vysoké a sériový odpor musí byť malý, teda pokles saturačného napätia musí byť malý. Prvá vyžaduje, aby bol odpor materiálu v kolektorovej oblasti vysoký, zatiaľ čo druhá vyžaduje, aby bol odpor materiálu v zbernej oblasti nízky. Tieto dve oblasti si navzájom protirečia. Ak sa hrúbka materiálu v kolektorovej oblasti zníži, aby sa znížil sériový odpor, kremíková doštička bude príliš tenká a krehká na spracovanie. Ak sa zníži odpor materiálu, bude to v rozpore s prvou požiadavkou. Vývoj epitaxnej technológie však tento problém úspešne vyriešil.

Riešenie: Vypestovať epitaxnú vrstvu s vysokým odporom na substráte s extrémne nízkym odporom a vyrobiť zariadenie na epitaxnej vrstve. Táto epitaxná vrstva s vysokým odporom zabezpečuje, že trubica má vysoké prierazné napätie, zatiaľ čo substrát s nízkym odporom tiež znižuje odpor substrátu, čím sa znižuje pokles saturačného napätia, čím sa vyrieši rozpor medzi týmito dvoma.

Okrem toho sa značne rozvinuli aj epitaxné technológie, ako je epitaxia v plynnej fáze a epitaxia v kvapalnej fáze GaAs a iných III-V, II-VI a iných molekulárnych zlúčenín polovodičových materiálov, ktoré sa stali základom pre väčšinu mikrovlnných zariadení, optoelektronických zariadení, energetických zariadení. Je to nevyhnutná procesná technológia na výrobu zariadení, najmä úspešné využitie technológie molekulárneho lúča a epitaxie v plynnej fáze s organickými kovmi v tenkých vrstvách, supermriežkach, kvantových jamách, napätých supermriežkach a epitaxii tenkých vrstiev na atómovej úrovni, čo je nový krok vo výskume polovodičov. Vývoj „energetického pásového inžinierstva“ v tejto oblasti položil pevný základ.

V praktických aplikáciách sa polovodičové súčiastky so širokým zakázaným pásmom takmer vždy vyrábajú na epitaxnej vrstve a samotná doštička z karbidu kremíka slúži iba ako substrát. Preto je riadenie epitaxnej vrstvy dôležitou súčasťou priemyslu polovodičov so širokým zakázaným pásmom.

7 hlavných zručností v epitaxnej technológii

1. Epitaxné vrstvy s vysokým (nízkym) odporom sa môžu epitaxne pestovať na substrátoch s nízkym (vysokým) odporom.
2. Epitaxná vrstva typu N (P) sa môže epitaxne pestovať na substráte typu P (N) za účelom priameho vytvorenia PN prechodu. Pri použití difúznej metódy na vytvorenie PN prechodu na monokryštálovom substráte nevzniká problém s kompenzáciou.
3. V kombinácii s maskovou technológiou sa selektívny epitaxný rast vykonáva vo vyhradených oblastiach, čím sa vytvárajú podmienky na výrobu integrovaných obvodov a zariadení so špeciálnymi štruktúrami.
4. Typ a koncentrácia dopingu sa môže meniť podľa potrieb počas epitaxného rastu. Zmena koncentrácie môže byť náhla alebo pomalá.
5. Dokáže pestovať heterogénne, viacvrstvové, viaczložkové zlúčeniny a ultratenké vrstvy s variabilnými zložkami.
6. Epitaxný rast je možné vykonávať pri teplote nižšej ako je bod topenia materiálu, rýchlosť rastu je kontrolovateľná a je možné dosiahnuť epitaxný rast s hrúbkou na úrovni atómov.
7. Dokáže pestovať monokryštálové materiály, ktoré sa nedajú ťahať, ako napríklad GaN, monokryštálové vrstvy terciárnych a kvartérnych zlúčenín atď.