Epitaksiyel katmanlar yarı iletken cihazlara nasıl yardımcı olur?

Epitaksiyel gofret isminin kökeni

Öncelikle küçük bir kavramı popülerleştirelim: wafer hazırlama iki önemli bağlantıyı içerir: alt tabaka hazırlama ve epitaksiyel işlem. Alt tabaka, yarı iletken tek kristal malzemeden yapılmış bir wafer'dır. Alt tabaka, yarı iletken cihazlar üretmek için doğrudan wafer üretim sürecine girebilir veya epitaksiyel işlemlerle işlenerek epitaksiyel wafer'lar üretilebilir. Epitaksi, kesme, taşlama, parlatma vb. ile dikkatlice işlenmiş tek kristal bir alt tabaka üzerinde yeni bir tek kristal tabakasının büyütülmesi sürecini ifade eder. Yeni tek kristal, alt tabaka ile aynı malzeme olabilir veya farklı bir malzeme (homojen) olabilir (epitaksiyel veya heteroepitaksiyel). Yeni tek kristal tabaka, substratın kristal fazına göre uzanıp büyüdüğü için epitaksiyel tabaka olarak adlandırılır (kalınlık genellikle birkaç mikrondur, örnek olarak silisyum alınır: silisyum epitaksiyel büyümesinin anlamı, belirli bir kristal yönelimine sahip bir silisyum tek kristal substrat üzerindedir. İyi kafes yapısı bütünlüğüne ve aynı kristal yönelimine sahip farklı özdirenç ve kalınlığa sahip bir kristal tabakası, substrat ile aynı şekilde büyütülür) ve epitaksiyel tabakaya sahip substrata epitaksiyel gofret denir (epitaksiyel gofret = epitaksiyel tabaka + substrat). Aygıt epitaksiyel tabaka üzerinde yapıldığında buna pozitif epitaksi denir. Aygıt substrat üzerinde yapılırsa buna ters epitaksi denir. Bu sırada epitaksiyel tabaka yalnızca destekleyici bir rol oynar.

Cilalı 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 demeti şeklinde buharlaştırılır ve daha sonra kristal bir alt tabaka üzerine biriktirilir. MBE, biriktirilen malzemenin kalınlığını atom seviyesinde hassas bir şekilde kontrol edebilen çok hassas ve kontrol edilebilir bir yarı iletken ince film büyüme teknolojisidir.
Metal Organik CVD (MOCVD): MOCVD prosesinde, gerekli elementleri içeren organik metal ve hidrit gazı N gazı uygun bir sıcaklıkta alt tabakaya verilir, gerekli yarı iletken malzemeyi oluşturmak için kimyasal reaksiyona girer ve alt tabaka üzerine biriktirilirken, kalan bileşikler ve reaksiyon ürünleri deşarj edilir.
Buhar fazı epitaksisi (VPE): Buhar fazı epitaksisi, yarı iletken cihazların üretiminde yaygın olarak kullanılan önemli bir teknolojidir. Temel prensip, element maddelerinin veya bileşiklerin buharını bir taşıyıcı gazda taşımak ve kimyasal reaksiyonlar yoluyla alt tabakaya kristaller biriktirmektir.

Epitaksi işlemi hangi sorunları çözer?

Yalnızca toplu tek kristal malzemeler çeşitli yarı iletken aygıtların üretiminin artan ihtiyaçlarını karşılayamaz. Bu nedenle, ince katmanlı tek kristal malzeme büyüme teknolojisi olan epitaksiyel büyüme 1959'un sonunda geliştirildi. Peki epitaksi teknolojisinin malzemelerin ilerlemesine özel katkısı nedir?

Silisyum için, silisyum epitaksiyel büyüme teknolojisi başladığında, silisyum yüksek frekanslı ve yüksek güçlü transistörlerin üretimi için gerçekten zor bir zamandı. Transistör prensipleri açısından, yüksek frekans ve yüksek güç elde etmek için, toplayıcı alanının bozulma voltajı yüksek ve seri direnci küçük, yani doyma voltaj düşüşü küçük olmalıdır. Birincisi, toplayıcı alandaki malzemenin özdirencinin yüksek olmasını gerektirirken, ikincisi, toplayıcı alandaki malzemenin özdirencinin düşük olmasını gerektirir. İki il birbiriyle çelişir. Toplayıcı alandaki malzemenin kalınlığı, seri direnci azaltmak için azaltılırsa, silisyum gofret işlenemeyecek kadar ince ve kırılgan olacaktır. Malzemenin özdirenci azaltılırsa, ilk gereklilikle çelişecektir. Ancak, epitaksiyel teknolojisinin geliştirilmesi başarılı olmuştur. bu zorluğu çözdü.

Çözüm: Son derece düşük dirençli bir alt tabaka üzerine yüksek dirençli bir epitaksiyel tabaka büyütün ve cihazı epitaksiyel tabaka üzerine yapın. Bu yüksek dirençli epitaksiyel tabaka, tüpün yüksek bir bozulma voltajına sahip olmasını sağlarken, düşük dirençli alt tabaka aynı zamanda alt tabakanın direncini azaltarak doyma voltaj düşüşünü azaltır ve böylece ikisi arasındaki çelişkiyi çözer.

Ayrıca, 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, güç için temel haline gelmiştir. Özellikle ince katmanlarda, süper kafeslerde, kuantum kuyularında, gerilmiş süper kafeslerde ve yarı iletken araştırmalarında yeni bir adım olan atom düzeyinde ince tabaka epitaksisinde moleküler ışın ve metal organik buhar fazı epitaksisi teknolojisinin başarılı bir şekilde uygulanmasıyla cihazların üretimi için vazgeçilmez bir işlem teknolojisidir. Alanda “enerji kuşağı mühendisliğinin” geliştirilmesi sağlam bir temel oluşturmuştur.

Pratik uygulamalarda, geniş bant aralıklı yarı iletken cihazlar neredeyse her zaman epitaksiyel tabaka üzerinde yapılır ve silisyum karbür gofret yalnızca alt tabaka olarak işlev görür. Bu nedenle, epitaksiyel tabakanın kontrolü geniş bant aralıklı yarı iletken endüstrisinin önemli bir parçasıdır.

Epitaksi teknolojisinde 7 önemli beceri

1. Yüksek (düşük) dirençli epitaksiyel tabakalar, düşük (yüksek) dirençli substratlar üzerine epitaksiyel olarak büyütülebilir.
2. N (P) tipi epitaksiyel tabaka, doğrudan bir PN bağlantısı oluşturmak için P (N) tipi alt tabaka üzerinde epitaksiyel olarak büyütülebilir. Tek kristal alt tabaka üzerinde bir PN bağlantısı oluşturmak için difüzyon yöntemini kullanırken herhangi bir telafi sorunu yoktur.
3. Maske teknolojisi ile birlikte, belirlenen alanlarda seçici epitaksiyel büyüme gerçekleştirilerek, entegre devrelerin ve özel yapıya sahip cihazların üretimi için gerekli koşullar yaratılır.
4. Epitaksiyel büyüme süreci sırasında ihtiyaçlara göre dopingin türü ve konsantrasyonu değiştirilebilir. Konsantrasyondaki değişim ani veya yavaş bir değişim olabilir.
5. Değişken bileşenli, heterojen, çok katmanlı, çok bileşenli bileşikler ve ultra ince katmanlar yetiştirebilir.
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, üçüncül ve dördüncül bileşiklerin tek kristal katmanları vb. gibi çekilemeyen tek kristal malzemeleri büyütebilir.