Miksi puolijohdelaitteet vaativat "epitaksiaalisen kerroksen"

Nimen "Epitaxial Wafer" alkuperä

Kiekkojen valmistus koostuu kahdesta päävaiheesta: substraatin valmistelusta ja epitaksiaalisesta prosessista. Substraatti on valmistettu puolijohteesta yksikidemateriaalista ja sitä käsitellään tyypillisesti puolijohdelaitteiden valmistamiseksi. Sille voidaan myös tehdä epitaksiaalinen käsittely epitaksiaalisen kiekon muodostamiseksi. Epitaksia tarkoittaa prosessia, jossa kasvatetaan uusi yksikidekerros huolellisesti käsitellylle yksikidealustalle. Uusi yksikiteinen kide voi olla samaa materiaalia kuin substraatti (homogeeninen epitaksia) tai eri materiaalia (heterogeeninen epitaksi). Koska uusi kidekerros kasvaa linjassa substraatin kideorientaation kanssa, sitä kutsutaan epitaksiaaliseksi kerrokseksi. Epitaksiaalisella kerroksella varustettua kiekkoa kutsutaan epitaksiaaliseksi kiekoksi (epitaksiaaltolevy = epitaksiaalinen kerros + substraatti). Epitaksiaaliselle kerrokselle valmistettuja laitteita kutsutaan "forward epitaksiksi", kun taas alustalle valmistettuja laitteita kutsutaan "käänteisepitaksiaksi", jossa epitaksiaalinen kerros toimii vain tukena.

Homogeeninen ja heterogeeninen epitaksi

▪Homogeeninen epitaksi:Epitaksiaalinen kerros ja substraatti on valmistettu samasta materiaalista: esim. Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Heterogeeninen epitaksia:Epitaksiaalinen kerros ja substraatti on valmistettu eri materiaaleista: esim. Si/Al2O3, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC jne.

Kiillotetut vohvelit

Mitä ongelmia Epitaxy ratkaisee?

Yksikidemateriaalit eivät yksinään riitä täyttämään puolijohdelaitteiden valmistuksen yhä monimutkaisempia vaatimuksia. Siksi vuoden 1959 lopulla kehitettiin ohuiden yksikidemateriaalien kasvatustekniikka, joka tunnetaan nimellä epitaksia. Mutta miten epitaksitekniikka auttoi erityisesti materiaalien kehittämisessä? Piin osalta piin epitaksian kehitys tapahtui kriittisellä hetkellä, jolloin korkeataajuisten, suuritehoisten piitransistorien valmistus kohtasi merkittäviä vaikeuksia. Transistoriperiaatteiden näkökulmasta korkean taajuuden ja tehon saavuttaminen edellyttää, että kollektorialueen läpilyöntijännite on korkea ja sarjaresistanssi pieni, eli kyllästysjännitteen tulee olla pieni. Edellinen vaatii suurta resistiivisyyttä kollektorimateriaalissa, kun taas jälkimmäinen vaatii pientä resistiivisyyttä, mikä luo ristiriitaa. Keräinalueen paksuuden pienentäminen sarjaresistanssin pienentämiseksi tekisi piikiekosta liian ohueksi ja hauraaksi prosessoitavaksi, ja resistiivisyyden alentaminen olisi ristiriidassa ensimmäisen vaatimuksen kanssa. Epitaksiaalitekniikan kehitys ratkaisi tämän ongelman onnistuneesti. Ratkaisu oli kasvattaa korkearesistanssinen epitaksiaalinen kerros matalaresistiiviselle alustalle. Laite on valmistettu epitaksiaaliselle kerrokselle, mikä varmistaa transistorin korkean läpilyöntijännitteen, kun taas matalaresistanssinen substraatti vähentää kantaresistanssia ja alentaa kyllästysjännitettä, mikä ratkaisee ristiriidan näiden kahden vaatimuksen välillä.

Lisäksi III-V- ja II-VI-yhdistepuolijohteiden, kuten GaAs:n, GaN:n ja muiden, epitaksiaalisissa tekniikoissa, mukaan lukien höyryfaasi- ja nestefaasiepitaksi, on tapahtunut merkittäviä edistysaskeleita. Näistä tekniikoista on tullut olennaisia ​​monien mikroaaltouunien, optoelektronisten ja teholaitteiden valmistuksessa. Erityisesti tekniikoita, kuten molekyylisuihkuepitaksia (MBE) ja metalli-orgaanista kemiallista höyrypinnoitusta (MOCVD) on menestyksekkäästi sovellettu ohuisiin kerroksiin, superhiloihin, kvanttikuoviin, jännitettyihin superhiloihin ja atomimittakaavan ohuisiin epitaksiaalisiin kerroksiin, mikä on luonut vankan perustan uusien puolijohdekenttien, kuten "kaistasuunnittelun" kehittäminen.

Käytännön sovelluksissa useimmat laajakaistaiset puolijohdelaitteet valmistetaan epitaksiaalisille kerroksille, ja materiaaleja, kuten piikarbidia (SiC) käytetään yksinomaan substraatteina. Siksi epitaksiaalikerroksen ohjaaminen on kriittinen tekijä laajakaistaisten puolijohdeteollisuudessa.

Epitaksitekniikka: Seitsemän avainominaisuutta

1. Epitaksi voi kasvattaa korkean (tai alhaisen) resistanssin kerroksen matalan (tai korkean) resistanssin substraatille.

2. Epitaksia mahdollistaa N (tai P) tyypin epitaksiaalisten kerrosten kasvun P (tai N) tyypin substraateille, muodostaen suoraan PN-liitoksen ilman kompensaatioongelmia, joita syntyy käytettäessä diffuusiota PN-liitoksen luomiseen yksikidealustalle.

3. Kun yhdistetään maskiteknologiaan, valikoiva epitaksiaalinen kasvu voidaan suorittaa tietyillä alueilla, mikä mahdollistaa integroitujen piirien ja erityisrakenteisten laitteiden valmistamisen.

4. Epitaksiaalinen kasvu mahdollistaa dopingtyyppien ja -pitoisuuksien hallinnan ja kyvyn saavuttaa äkillisiä tai asteittaisia ​​muutoksia pitoisuudessa.

5. Epitaksi voi kasvattaa heterogeenisiä, monikerroksisia, monikomponenttisia yhdisteitä, joiden koostumus vaihtelee, mukaan lukien erittäin ohuet kerrokset.

6. Epitaksiaalinen kasvu voi tapahtua materiaalin sulamispisteen alapuolella olevissa lämpötiloissa, ja kasvunopeus on säädeltävissä, mikä mahdollistaa atomitason tarkkuuden kerrosten paksuudessa.

7. Epitaksi mahdollistaa sellaisten materiaalien yksikidekerrosten kasvun, joita ei voida vetää kiteiksi, kuten GaN ja kolmikiteiset/kvaternaariset yhdistepuolijohteet.

Erilaiset epitaksiaaliset kerrokset ja epitaksiaaliset prosessit

Yhteenvetona voidaan todeta, että epitaksiaaliset kerrokset tarjoavat helpommin hallittavan ja täydellisemmän kiderakenteen kuin bulkkisubstraatit, mikä on hyödyllistä edistyneiden materiaalien kehittämisessä.