Kāpēc pusvadītāju ierīcēm ir nepieciešams “epitaksiskais slānis”

Nosaukuma "Epitaksiskā vafele" izcelsme

Vafeļu sagatavošana sastāv no diviem galvenajiem posmiem: substrāta sagatavošanas un epitaksiālā procesa. Substrāts ir izgatavots no pusvadītāju monokristāla materiāla un parasti tiek apstrādāts, lai ražotu pusvadītāju ierīces. To var arī pakļaut epitaksiālai apstrādei, veidojot epitaksiālu vafeli. Epitaksija attiecas uz jauna monokristāla slāņa audzēšanas procesu uz rūpīgi apstrādāta monokristāla substrāta. Jaunais monokristāls var būt no tā paša materiāla kā substrāts (homogēna epitaksija) vai cita materiāla (heterogēna epitaksija). Tā kā jaunais kristāla slānis aug saskaņā ar substrāta kristāla orientāciju, to sauc par epitaksiālo slāni. Vafele ar epitaksiālo slāni tiek saukta par epitaksiālo plāksni (epitaksiālā plāksne = epitaksiālais slānis + substrāts). Ierīces, kas izgatavotas uz epitaksiskā slāņa, sauc par "uz priekšu epitaksiju", savukārt ierīces, kas izgatavotas uz substrāta, sauc par "reverso epitaksiju", kur epitaksiskais slānis kalpo tikai kā atbalsts.

Homogēna un heterogēna epitaksija

▪Homogēna epitaksija:Epitaksiālais slānis un substrāts ir izgatavoti no viena un tā paša materiāla: piemēram, Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Heterogēna epitaksija:Epitaksiālais slānis un substrāts ir izgatavoti no dažādiem materiāliem: piemēram, Si/Al₂O3, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC utt.

Pulētas vafeles

Kādas problēmas atrisina epitaksija?

Lielapjoma monokristālu materiāli vien ir nepietiekami, lai apmierinātu arvien sarežģītākas pusvadītāju ierīču ražošanas prasības. Tāpēc 1959. gada beigās tika izstrādāta plāna monokristāla materiāla audzēšanas tehnika, kas pazīstama kā epitaksija. Bet kā epitaksiskā tehnoloģija īpaši palīdzēja materiālu attīstībai? Silīcijam silīcija epitaksijas attīstība notika kritiskā laikā, kad augstas frekvences, lieljaudas silīcija tranzistoru izgatavošana saskārās ar ievērojamām grūtībām. No tranzistora principu viedokļa, lai sasniegtu augstu frekvenci un jaudu, kolektora reģiona pārrāvuma spriegumam ir jābūt augstam un sērijas pretestībai jābūt zemai, kas nozīmē, ka piesātinājuma spriegumam jābūt mazam. Pirmajam ir nepieciešama liela kolektora materiāla pretestība, bet otrajam ir nepieciešama zema pretestība, kas rada pretrunas. Samazinot kolektora apgabala biezumu, lai samazinātu sērijas pretestību, silīcija plāksne kļūtu pārāk plāna un trausla apstrādei, un pretestības samazināšana būtu pretrunā ar pirmo prasību. Epitaksiālās tehnoloģijas attīstība veiksmīgi atrisināja šo problēmu. Risinājums bija uzaudzēt augstas pretestības epitaksiālo slāni uz zemas pretestības substrāta. Ierīce ir izgatavota uz epitaksiālā slāņa, nodrošinot augstu tranzistora pārrāvuma spriegumu, savukārt zemas pretestības substrāts samazina bāzes pretestību un pazemina piesātinājuma spriegumu, atrisinot pretrunu starp abām prasībām.

Turklāt III-V un II-VI salikto pusvadītāju, piemēram, GaAs, GaN un citu epitaksiālās tehnoloģijas, tostarp tvaika fāzes un šķidrās fāzes epitaksija, ir piedzīvojušas ievērojamus sasniegumus. Šīs tehnoloģijas ir kļuvušas par būtiskām daudzu mikroviļņu, optoelektronisko un barošanas ierīču ražošanā. Jo īpaši tādas metodes kā molekulārā staru epitaksija (MBE) un metālu un organisko ķīmisko tvaiku pārklāšana (MOCVD) ir veiksmīgi pielietotas plāniem slāņiem, superrežģiem, kvantu urbumiem, sasprindzinātiem superrežģiem un atomu mēroga plāniem epitaksiskajiem slāņiem, ieliekot stabilu pamatu jaunu pusvadītāju jomu attīstība, piemēram, "joslu inženierija".

Praktiskā pielietojumā lielākā daļa platjoslas pusvadītāju ierīču tiek izgatavotas uz epitaksiāliem slāņiem, un tādi materiāli kā silīcija karbīds (SiC) tiek izmantoti tikai kā substrāti. Tāpēc epitaksiālā slāņa kontrole ir būtisks faktors platjoslas pusvadītāju nozarē.

Epitaksijas tehnoloģija: septiņas galvenās funkcijas

1. Epitaxy var audzēt augstas (vai zemas) pretestības slāni uz zemas (vai augstas) pretestības substrāta.

2. Epitaksija ļauj veidot N (vai P) tipa epitaksiālos slāņus uz P (vai N) tipa substrātiem, tieši veidojot PN savienojumu bez kompensācijas problēmām, kas rodas, izmantojot difūziju, lai izveidotu PN savienojumu uz viena kristāla substrāta.

3. Kombinācijā ar masku tehnoloģiju var veikt selektīvu epitaksiālo augšanu noteiktās zonās, ļaujot izgatavot integrālās shēmas un ierīces ar īpašām struktūrām.

4. Epitaksiskā augšana ļauj kontrolēt dopinga veidus un koncentrāciju, ar spēju panākt pēkšņas vai pakāpeniskas koncentrācijas izmaiņas.

5. Epitaksijā var izaudzēt neviendabīgus, daudzslāņu, daudzkomponentu savienojumus ar mainīgu sastāvu, ieskaitot īpaši plānus slāņus.

6. Epitaksiālā augšana var notikt temperatūrā, kas ir zemāka par materiāla kušanas temperatūru, ar kontrolējamu augšanas ātrumu, kas ļauj sasniegt atomu līmeņa precizitāti slāņa biezumā.

7. Epitaksija nodrošina tādu materiālu monokristālu slāņu augšanu, kurus nevar ievilkt kristālos, piemēram, GaN un trīskāršo/ceturtdaļējo savienojumu pusvadītājus.

Dažādi epitaksiskie slāņi un epitaksiālie procesi

Rezumējot, epitaksiālie slāņi piedāvā vieglāk vadāmu un perfektu kristāla struktūru nekā lielapjoma substrāti, kas ir izdevīgi progresīvu materiālu izstrādei.