Kako epitaksialne plasti pomagajo polprevodniškim napravam?

Izvor imena epitaksialna rezina

Najprej popularizirajmo majhen koncept: priprava rezin vključuje dve glavni povezavi: pripravo substrata in epitaksialni postopek. Substrat je rezina, izdelana iz polprevodniškega monokristalnega materiala. Substrat lahko neposredno vstopi v postopek izdelave rezin za izdelavo polprevodniških naprav ali pa se obdela z epitaksialnimi postopki za izdelavo epitaksialnih rezin. Epitaksija se nanaša na postopek gojenja nove plasti monokristala na monokristalnem substratu, ki je bil skrbno obdelan z rezanjem, brušenjem, poliranjem itd. Novi monokristal je lahko iz istega materiala kot substrat ali pa iz drugega materiala (homogena epitaksija ali heteroepitaksija). Ker se nova plast monokristala razteza in raste glede na kristalno fazo substrata, se imenuje epitaksialna plast (debelina je običajno nekaj mikronov, na primer silicij: pomen epitaksialne rasti silicija je na silicijevem monokristalnem substratu z določeno kristalno orientacijo. Plast kristala z dobro integriteto mrežne strukture ter različno upornostjo in debelino z enako kristalno orientacijo kot substrat se goji), substrat z epitaksialno plastjo pa se imenuje epitaksialna rezina (epitaksialna rezina = epitaksialna plast + substrat). Ko je naprava izdelana na epitaksialni plasti, se to imenuje pozitivna epitaksija. Če je naprava izdelana na substratu, se to imenuje reverzna epitaksija. V tem primeru ima epitaksialna plast le podporno vlogo.

Polirani oblati

Epitaksialne metode rasti

Molekularna epitaksija z žarkom (MBE): Gre za tehnologijo epitaksialne rasti polprevodnikov, ki se izvaja v pogojih ultra visokega vakuuma. Pri tej tehniki se izvorni material upari v obliki žarka atomov ali molekul in nato nanese na kristalni substrat. MBE je zelo natančna in nadzorovana tehnologija rasti tankih polprevodniških filmov, ki lahko natančno nadzoruje debelino nanesenega materiala na atomski ravni.
Kovinsko-organski CVD (MOCVD): Pri postopku MOCVD se organska kovina in hidridni plin N2, ki vsebuje potrebne elemente, dovajata substratu pri ustrezni temperaturi, kjer pride do kemične reakcije, pri kateri nastane potreben polprevodniški material, in se nato odložita na substrat, medtem ko se preostale spojine in reakcijski produkti odvajajo.
Parna epitaksija (VPE): Parna epitaksija je pomembna tehnologija, ki se pogosto uporablja pri proizvodnji polprevodniških naprav. Osnovno načelo je prenos hlapov elementarnih snovi ali spojin v nosilnem plinu in nanašanje kristalov na podlago s kemičnimi reakcijami.

Katere težave rešuje postopek epitaksije?

Samo materiali iz monokristalov v razsutem stanju ne morejo zadostiti naraščajočim potrebam po izdelavi različnih polprevodniških naprav. Zato je bila konec leta 1959 razvita epitaksialna rast, tehnologija rasti tankoplastnih monokristalnih materialov. Kakšen poseben prispevek ima torej epitaksialna tehnologija k napredku materialov?

Za silicij je bilo ob začetku razvoja tehnologije epitaksialne rasti silicija resnično težko obdobje za proizvodnjo silicijevih visokofrekvenčnih in visokozmogljivih tranzistorjev. Z vidika tranzistorskih načel mora biti za doseganje visoke frekvence in visoke moči prebojna napetost zbiralnega območja visoka, serijska upornost pa majhna, torej padec nasičene napetosti majhen. Prvo zahteva visoko upornost materiala v zbiralnem območju, drugo pa nizko upornost materiala v zbiralnem območju. Ti dve področji sta si v nasprotju. Če se debelina materiala v zbiralnem območju zmanjša, da se zmanjša serijska upornost, bo silicijeva rezina pretanka in prekrhka za obdelavo. Če se upornost materiala zmanjša, bo to v nasprotju s prvo zahtevo. Vendar pa je razvoj epitaksialne tehnologije uspešno rešil to težavo.

Rešitev: Na substratu z izjemno nizko upornostjo vzgojite epitaksialno plast z visoko upornostjo in na tej epitaksialni plasti izdelajte napravo. Ta epitaksialna plast z visoko upornostjo zagotavlja visoko prebojno napetost cevi, medtem ko substrat z nizko upornostjo tudi zmanjša upornost substrata in s tem padec nasičene napetosti ter tako razreši protislovje med obema.

Poleg tega so se močno razvile tudi tehnologije epitaksije, kot sta epitaksija v parni fazi in epitaksija v tekoči fazi GaAs ter drugih III-V, II-VI in drugih molekularnih spojin polprevodniških materialov, ki so postale osnova za večino mikrovalovnih naprav, optoelektronskih naprav, energetskih naprav. Je nepogrešljiva procesna tehnologija za proizvodnjo naprav, zlasti uspešna uporaba tehnologije molekularnega žarka in epitaksije iz kovinsko-organske parne faze v tankih plasteh, supermrežah, kvantnih jamicah, napetih supermrežah in tankoplastni epitaksiji na atomski ravni, kar je nov korak v raziskavah polprevodnikov. Razvoj "inženiringa energijskih pasov" na tem področju je postavil trdne temelje.

V praktičnih aplikacijah so polprevodniške naprave s širokim pasovnim razmikom skoraj vedno izdelane na epitaksialni plasti, silicijeva karbidna rezina pa služi le kot substrat. Zato je nadzor epitaksialne plasti pomemben del industrije polprevodnikov s širokim pasovnim razmikom.

7 glavnih veščin v tehnologiji epitaksije

1. Epitaksialne plasti z visoko (nizko) upornostjo je mogoče epitaksialno gojiti na substratih z nizko (visoko) upornostjo.
2. Epitaksialno plast tipa N (P) je mogoče epitaksialno gojiti na substratu tipa P (N) in neposredno tvoriti PN-stik. Pri uporabi difuzijske metode za izdelavo PN-stika na monokristalnem substratu ni težav s kompenzacijo.
3. V kombinaciji s tehnologijo mask se na določenih območjih izvaja selektivna epitaksialna rast, kar ustvarja pogoje za proizvodnjo integriranih vezij in naprav s posebnimi strukturami.
4. Vrsta in koncentracija dopinga se lahko med epitaksialno rastjo spreminjata glede na potrebe. Sprememba koncentracije je lahko nenadna ali počasna.
5. Lahko goji heterogene, večplastne, večkomponentne spojine in ultra tanke plasti s spremenljivimi komponentami.
6. Epitaksialno rast je mogoče izvesti pri temperaturi nižji od tališča materiala, hitrost rasti je nadzorovana in doseči je mogoče epitaksialno rast debeline na atomski ravni.
7. Lahko goji monokristalne materiale, ki jih ni mogoče vleči, kot so GaN, monokristalne plasti terciarnih in kvaternarnih spojin itd.