Защо полупроводниковите устройства изискват „епитаксиален слой“

Произход на името „епитаксиална пластина“

Подготовката на пластини се състои от две основни стъпки: подготовка на субстрата и епитаксиален процес. Субстратът е направен от полупроводников монокристален материал и обикновено се обработва за производство на полупроводникови устройства. Може също така да претърпи епитаксиална обработка, за да се образува епитаксиална пластина. Епитаксията се отнася до процеса на отглеждане на нов монокристален слой върху внимателно обработен монокристален субстрат. Новият монокристал може да бъде от същия материал като субстрата (хомогенна епитаксия) или различен материал (хетерогенна епитаксия). Тъй като новият кристален слой расте в съответствие с кристалната ориентация на субстрата, той се нарича епитаксиален слой. Пластината с епитаксиален слой се нарича епитаксиална пластина (епитаксиална пластина = епитаксиален слой + субстрат). Устройствата, произведени върху епитаксиалния слой, се наричат ​​„права епитаксия“, докато устройствата, произведени върху субстрата, се наричат ​​„обратна епитаксия“, където епитаксиалният слой служи само като опора.

Хомогенна и хетерогенна епитаксия

▪Хомогенна епитаксия:Епитаксиалният слой и субстратът са направени от един и същ материал: например Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Хетерогенна епитаксия:Епитаксиалният слой и субстратът са направени от различни материали: например Si/Al2O3, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC и др.

Полирани вафли

Какви проблеми решава епитаксията?

Само обемните монокристални материали са недостатъчни, за да отговорят на все по-сложните изисквания на производството на полупроводникови устройства. Поради това в края на 1959 г. е разработена техниката за растеж на тънък монокристален материал, известна като епитаксия. Но как епитаксиалната технология специално помогна за напредъка на материалите? За силиция развитието на силициевата епитаксия се случи в критичен момент, когато производството на високочестотни силициеви транзистори с висока мощност беше изправено пред значителни трудности. От гледна точка на транзисторните принципи, постигането на висока честота и мощност изисква напрежението на пробив на колекторната област да е високо и серийното съпротивление да е ниско, което означава, че напрежението на насищане трябва да е малко. Първото изисква високо съпротивление в материала на колектора, докато последното изисква ниско съпротивление, което създава противоречие. Намаляването на дебелината на колекторната област, за да се намали серийното съпротивление, би направило силиконовата пластина твърде тънка и крехка за обработка, а понижаването на съпротивлението би било в конфликт с първото изискване. Развитието на епитаксиалната технология успешно разреши този проблем. Решението беше да се отгледа епитаксиален слой с високо съпротивление върху субстрат с ниско съпротивление. Устройството е произведено върху епитаксиалния слой, осигуряващ високо напрежение на пробив на транзистора, докато субстратът с ниско съпротивление намалява базовото съпротивление и понижава напрежението на насищане, разрешавайки противоречието между двете изисквания.

Освен това епитаксиалните технологии за съставни полупроводници III-V и II-VI като GaAs, GaN и други, включително епитаксия в парна фаза и течна фаза, отбелязаха значителен напредък. Тези технологии са станали основни за производството на много микровълнови, оптоелектронни и силови устройства. По-специално, техники като молекулярно-лъчева епитаксия (MBE) и металоорганично химическо отлагане на пари (MOCVD) са успешно приложени към тънки слоеве, суперрешетки, квантови ямки, напрегнати суперрешетки и тънки епитаксиални слоеве в атомен мащаб, полагайки солидна основа за развитието на нови полупроводникови полета като „лентово инженерство“.

В практическите приложения повечето широколентови полупроводникови устройства са произведени върху епитаксиални слоеве, като материали като силициев карбид (SiC) се използват единствено като субстрати. Следователно контролирането на епитаксиалния слой е критичен фактор в полупроводниковата индустрия с широка лента.

Технология Epitaxy: Седем ключови характеристики

1. Епитаксия може да създаде слой с високо (или ниско) съпротивление върху субстрат с ниско (или високо) съпротивление.

2. Епитаксията позволява растежа на епитаксиални слоеве от тип N (или P) върху субстрати от тип P (или N), директно образувайки PN преход без проблеми с компенсацията, които възникват при използване на дифузия за създаване на PN преход върху единичен кристален субстрат.

3. Когато се комбинира с маскова технология, може да се извърши селективен епитаксиален растеж в специфични области, което позволява производството на интегрални схеми и устройства със специални структури.

4. Епитаксиалният растеж позволява контрол на видовете допинг и концентрации, с възможност за постигане на резки или постепенни промени в концентрацията.

5. Епитаксията може да отглежда хетерогенни, многослойни, многокомпонентни съединения с променлив състав, включително ултратънки слоеве.

6. Епитаксиален растеж може да възникне при температури под точката на топене на материала, с контролируема скорост на растеж, което позволява прецизност на атомно ниво в дебелината на слоя.

7. Епитаксията дава възможност за растеж на монокристални слоеве от материали, които не могат да бъдат изтеглени в кристали, като GaN и троични/четвъртични съставни полупроводници.

Различни епитаксиални слоеве и епитаксиални процеси

В обобщение, епитаксиалните слоеве предлагат по-лесно контролирана и перфектна кристална структура от насипните субстрати, което е от полза за разработването на модерни материали.