Hur hjälper epitaxiella lager halvledarkomponenter?

Ursprunget till namnet epitaxial wafer

Låt oss först popularisera ett litet koncept: waferberedning omfattar två huvudlänkar: substratberedning och epitaxialprocess. Substratet är en wafer tillverkad av halvledande enkristallmaterial. Substratet kan direkt ingå i wafertillverkningsprocessen för att producera halvledarkomponenter, eller det kan bearbetas med epitaxiala processer för att producera epitaxiala wafers. Epitaxi avser processen att odla ett nytt lager av enkristall på ett enkristallsubstrat som noggrant har bearbetats genom skärning, slipning, polering etc. Den nya enkristallen kan vara av samma material som substratet, eller det kan vara ett annat material (homogent) (epitaxi eller heteroepitaxi). Eftersom det nya enkristallskiktet utvidgas och växer i enlighet med substratets kristallfas kallas det ett epitaxiellt skikt (tjockleken är vanligtvis några mikron, med kisel som exempel: betydelsen av kisel-epitaxiell tillväxt är på ett kisel-enkristallsubstrat med en viss kristallorientering. Ett kristallskikt med god gitterstrukturintegritet och olika resistivitet och tjocklek med samma kristallorientering som substratet odlas), och substratet med det epitaxiella skiktet kallas en epitaxialskiva (epitaxialskiva = epitaxiellt skikt + substrat). När anordningen tillverkas på det epitaxiella skiktet kallas det positiv epitaxi. Om anordningen tillverkas på substratet kallas det omvänd epitaxi. För närvarande spelar det epitaxiella skiktet endast en stödjande roll.

Polerad wafer

Epitaxiella tillväxtmetoder

Molekylärstråleepitaxi (MBE): Det är en epitaxial tillväxtteknik för halvledare som utförs under ultrahöga vakuumförhållanden. I denna teknik avdunstas källmaterialet i form av en stråle av atomer eller molekyler och deponeras sedan på ett kristallint substrat. MBE är en mycket exakt och kontrollerbar tillväxtteknik för tunnfilmer för halvledare som exakt kan kontrollera tjockleken på det deponerade materialet på atomnivå.
Metallorganisk CVD (MOCVD): I MOCVD-processen tillförs organisk metall och hydridgas N2-gas som innehåller de erforderliga elementen till substratet vid lämplig temperatur, genomgår en kemisk reaktion för att generera det erforderliga halvledarmaterialet och avsätts på substratet, medan de återstående föreningarna och reaktionsprodukterna utmatas.
Ångfasepitaxi (VPE): Ångfasepitaxi är en viktig teknik som vanligtvis används vid tillverkning av halvledarkomponenter. Grundprincipen är att transportera ångan av elementära ämnen eller föreningar i en bärgas och avsätta kristaller på substratet genom kemiska reaktioner.

Vilka problem löser epitaxiprocessen?

Endast bulkbaserade enkristallmaterial kan inte möta de växande behoven vid tillverkning av olika halvledarkomponenter. Därför utvecklades epitaxiell tillväxt, en teknik för tillväxt av tunnskiktade enkristallmaterial, i slutet av 1959. Så vilket specifikt bidrag har epitaxitekniken till materialutvecklingen?

För kisel, när kisel-epitaxiell tillväxtteknik började, var det verkligen en svår tid för produktionen av kisel-högfrekventa och högeffektstransistorer. Ur transistorprincipperspektiv måste genombrottsspänningen i kollektorområdet vara hög och serieresistansen vara liten för att uppnå hög frekvens och hög effekt, det vill säga mättnadsspänningsfallet måste vara litet. Det förra kräver att materialets resistivitet i kollektorområdet ska vara hög, medan det senare kräver att materialets resistivitet i kollektorområdet ska vara låg. De två provinserna motsäger varandra. Om materialets tjocklek i kollektorområdet minskas för att minska serieresistansen kommer kiselskivan att vara för tunn och ömtålig för att bearbetas. Om materialets resistivitet minskas kommer det att motsäga det första kravet. Utvecklingen av epitaxiell teknik har dock varit framgångsrik och löst denna svårighet.

Lösning: Odla ett högresistivt epitaxiellt lager på ett substrat med extremt låg resistans och placera enheten på det epitaxiella lagret. Detta högresistiva epitaxiella lager säkerställer att röret har en hög genombrottsspänning, medan det lågresistiva substratet också minskar substratets resistans, vilket minskar mättningsspänningsfallet och löser motsättningen mellan de två.

Dessutom har epitaxitekniker som ångfasepitaxi och vätskefasepitaxi av GaAs och andra III-V, II-VI och andra molekylära sammansatta halvledarmaterial också utvecklats kraftigt och har blivit grunden för de flesta mikrovågsanordningar, optoelektroniska anordningar och kraftenheter. Det är en oumbärlig processteknik för produktion av anordningar, särskilt den framgångsrika tillämpningen av molekylärstråle- och metallorganisk ångfasepitaxiteknik i tunna lager, supergitter, kvantbrunnar, ansträngda supergitter och tunnskiktsepitaxi på atomnivå, vilket är ett nytt steg inom halvledarforskningen. Utvecklingen av "energibältesteknik" inom området har lagt en solid grund.

I praktiska tillämpningar tillverkas halvledarkomponenter med brett bandgap nästan alltid på det epitaxiella lagret, och själva kiselkarbidskivan fungerar endast som substrat. Därför är kontrollen av det epitaxiella lagret en viktig del av halvledarindustrin med brett bandgap.

7 huvudfärdigheter inom epitaxiteknik

1. Epitaxiella skikt med hög (låg) resistans kan epitaxiellt odlas på substrat med låg (hög) resistans.
2. Det epitaxiella lagret av N(P)-typ kan epitaxiellt odlas på P(N)-typsubstratet för att direkt bilda en PN-övergång. Det finns inga kompensationsproblem när diffusionsmetoden används för att skapa en PN-övergång på ett enkristallsubstrat.
3. Kombinerat med maskteknik utförs selektiv epitaxiell tillväxt i utvalda områden, vilket skapar förutsättningar för produktion av integrerade kretsar och enheter med speciella strukturer.
4. Typ och koncentration av dopning kan ändras efter behov under den epitaxiella tillväxtprocessen. Koncentrationsförändringen kan vara en plötslig förändring eller en långsam förändring.
5. Den kan odla heterogena, flerskiktade, flerkomponentsföreningar och ultratunna lager med variabla komponenter.
6. Epitaxiell tillväxt kan utföras vid en temperatur lägre än materialets smältpunkt, tillväxthastigheten är kontrollerbar och epitaxiell tillväxt med atomär tjocklek kan uppnås.
7. Den kan odla enkristallmaterial som inte kan dras ut, såsom GaN, enkristallskikt av tertiära och kvartära föreningar, etc.