Epitaksiyel gofret adının kökeni
Öncelikle, küçük bir kavramı yaygınlaştıralım: gofret hazırlığı iki ana aşamayı içerir: alt tabaka hazırlığı ve epitaksiyel işlem. Alt tabaka, yarı iletken tek kristal malzemeden yapılmış bir gofrettir. Alt tabaka, yarı iletken cihazlar üretmek için doğrudan gofret üretim sürecine girebilir veya epitaksiyel işlemlerle işlenerek epitaksiyel gofretler üretilebilir. Epitaksi, kesme, taşlama, parlatma vb. işlemlerle dikkatlice işlenmiş tek kristal bir alt tabaka üzerine yeni bir tek kristal tabakasının büyütülmesi işlemidir. Yeni tek kristal, alt tabaka ile aynı malzemeden olabilir veya farklı bir malzemeden (homojen epitaksi veya heteroepitaksi) olabilir. Yeni tek kristal tabaka, alt tabakanın kristal fazına göre genişleyip büyüdüğü için epitaksiyel tabaka olarak adlandırılır (kalınlığı genellikle birkaç mikrondur, silikonu örnek alırsak: silikon epitaksiyel büyümesinin anlamı, belirli bir kristal yönelimine sahip silikon tek kristal alt tabaka üzerinde, iyi kafes yapısı bütünlüğüne sahip ve alt tabaka ile aynı kristal yönelimine sahip farklı direnç ve kalınlıkta bir kristal tabakasının büyütülmesidir) ve epitaksiyel tabakaya sahip alt tabakaya epitaksiyel levha denir (epitaksiyel levha = epitaksiyel tabaka + alt tabaka). Cihaz epitaksiyel tabaka üzerinde yapıldığında pozitif epitaksi, alt tabaka üzerinde yapıldığında ise ters epitaksi olarak adlandırılır. Bu durumda epitaksiyel tabaka sadece destekleyici bir rol oynar.
Parlatılmış gofret
Epitaksiyel büyüme yöntemleri
Moleküler ışın epitaksisi (MBE): Ultra yüksek vakum koşulları altında gerçekleştirilen bir yarı iletken epitaksiyel büyüme teknolojisidir. Bu teknikte, kaynak malzeme atom veya molekül ışını şeklinde buharlaştırılır ve daha sonra kristal bir alt tabaka üzerine biriktirilir. MBE, biriktirilen malzemenin kalınlığını atomik düzeyde hassas bir şekilde kontrol edebilen, çok hassas ve kontrol edilebilir bir yarı iletken ince film büyüme teknolojisidir.
Metal organik kimyasal buhar biriktirme (MOCVD): MOCVD işleminde, gerekli elementleri içeren organik metal ve hidrit gazı (N gazı) uygun bir sıcaklıkta alt tabakaya verilir, kimyasal reaksiyona girerek gerekli yarı iletken malzemeyi oluşturur ve alt tabaka üzerine biriktirilirken, kalan bileşikler ve reaksiyon ürünleri uzaklaştırılır.
Buhar Fazı Epitaksisi (VPE): Buhar fazı epitaksisi, yarı iletken cihazların üretiminde yaygın olarak kullanılan önemli bir teknolojidir. Temel prensip, elementel maddelerin veya bileşiklerin buharını bir taşıyıcı gaz içinde taşımak ve kimyasal reaksiyonlar yoluyla alt tabaka üzerine kristaller biriktirmektir.
Epitaksi işlemi hangi sorunları çözüyor?
Sadece büyük tek kristalli malzemeler, çeşitli yarı iletken cihazların üretimindeki artan ihtiyaçları karşılayamaz. Bu nedenle, 1959 yılının sonlarında ince tabaka tek kristalli malzeme yetiştirme teknolojisi olan epitaksiyel büyüme geliştirilmiştir. Peki epitaksiyel teknolojinin malzeme alanındaki ilerlemeye özel katkısı nedir?
Silikon için, silikon epitaksiyel büyüme teknolojisi başladığında, silikon yüksek frekanslı ve yüksek güçlü transistörlerin üretimi gerçekten zor bir dönemdi. Transistör prensipleri açısından, yüksek frekans ve yüksek güç elde etmek için, kollektör bölgesinin kırılma gerilimi yüksek ve seri direnci düşük olmalı, yani doyma gerilimi düşüşü küçük olmalıdır. Birincisi, kollektör bölgesindeki malzemenin özdirencinin yüksek olmasını gerektirirken, ikincisi kollektör bölgesindeki malzemenin özdirencinin düşük olmasını gerektirir. Bu iki durum birbirine zıttır. Seri direnci azaltmak için kollektör bölgesindeki malzemenin kalınlığı azaltılırsa, silikon levha çok ince ve işlenmesi zor hale gelir. Malzemenin özdirenci azaltılırsa, bu ilk gereksinimi çelişir. Ancak, epitaksiyel teknolojinin gelişmesi bu zorluğu başarıyla çözmüştür.
Çözüm: Son derece düşük dirençli bir alt tabaka üzerine yüksek dirençli bir epitaksiyel tabaka büyütün ve cihazı bu epitaksiyel tabaka üzerinde üretin. Bu yüksek dirençli epitaksiyel tabaka, tüpün yüksek bir kırılma voltajına sahip olmasını sağlarken, düşük dirençli alt tabaka da alt tabakanın direncini azaltarak doyma voltajı düşüşünü azaltır ve böylece ikisi arasındaki çelişkiyi çözer.
Ek olarak, GaAs ve diğer III-V, II-VI ve diğer moleküler bileşik yarı iletken malzemelerin buhar fazı epitaksisi ve sıvı fazı epitaksisi gibi epitaksi teknolojileri de büyük ölçüde geliştirilmiş ve çoğu mikrodalga cihazı, optoelektronik cihaz ve güç cihazlarının üretiminde vazgeçilmez bir işlem teknolojisi haline gelmiştir. Özellikle moleküler ışın ve metal organik buhar fazı epitaksi teknolojisinin ince tabakalarda, süper kafeslerde, kuantum kuyularında, gerilimli süper kafeslerde ve atomik düzeyde ince tabaka epitaksisinde başarılı bir şekilde uygulanması, yarı iletken araştırmalarında yeni bir adımdır. Bu alandaki "enerji kuşağı mühendisliği"nin gelişimi sağlam bir temel oluşturmuştur.
Pratik uygulamalarda, geniş bant aralıklı yarı iletken cihazlar neredeyse her zaman epitaksiyel tabaka üzerine üretilir ve silisyum karbür levha yalnızca alt tabaka görevi görür. Bu nedenle, epitaksiyel tabakanın kontrolü, geniş bant aralıklı yarı iletken endüstrisinin önemli bir parçasıdır.
Epitaksi teknolojisinde 7 temel beceri
1. Yüksek (düşük) dirençli epitaksiyel katmanlar, düşük (yüksek) dirençli alt tabakalar üzerine epitaksiyel olarak büyütülebilir.
2. N (P) tipi epitaksiyel katman, doğrudan bir PN eklemi oluşturmak için P (N) tipi alt tabaka üzerine epitaksiyel olarak büyütülebilir. Tek kristal alt tabaka üzerinde PN eklemi oluşturmak için difüzyon yöntemi kullanıldığında herhangi bir telafi problemi yoktur.
3. Maske teknolojisiyle birleştirildiğinde, belirlenmiş alanlarda seçici epitaksiyel büyüme gerçekleştirilir ve bu da entegre devrelerin ve özel yapılara sahip cihazların üretimi için koşullar yaratır.
4. Epitaksiyel büyüme işlemi sırasında, katkı maddesinin türü ve konsantrasyonu ihtiyaçlara göre değiştirilebilir. Konsantrasyondaki değişiklik ani veya yavaş olabilir.
5. Heterojen, çok katmanlı, çok bileşenli bileşikler ve değişken bileşenlere sahip ultra ince katmanlar üretebilir.
6. Epitaksiyel büyüme, malzemenin erime noktasından daha düşük bir sıcaklıkta gerçekleştirilebilir, büyüme hızı kontrol edilebilir ve atomik düzeyde kalınlıkta epitaksiyel büyüme elde edilebilir.
7. GaN gibi çekilemeyen tek kristal malzemeleri, üçüncül ve dördüncül bileşiklerin tek kristal katmanlarını vb. yetiştirebilir.
Yayın tarihi: 13 Mayıs 2024