Зашто полупроводнички уређаји захтевају „епитаксиални слој“

Порекло назива „Епитаксијална облата“

Припрема вафла састоји се од два главна корака: припреме супстрата и процеса епитаксије. Подлога је направљена од полупроводничког монокристалног материјала и обично се обрађује за производњу полупроводничких уређаја. Такође се може подвргнути епитаксијалној обради да би се формирала епитаксијална плочица. Епитаксија се односи на процес узгоја новог монокристалног слоја на пажљиво обрађеној монокристалној подлози. Нови монокристал може бити од истог материјала као супстрат (хомогена епитаксија) или другог материјала (хетерогена епитаксија). Пошто нови кристални слој расте у складу са оријентацијом кристала супстрата, назива се епитаксијални слој. Плоча са епитаксијалним слојем се назива епитаксијална плочица (епитаксијална плочица = епитаксијални слој + супстрат). Уређаји произведени на епитаксијалном слоју називају се „напредна епитаксија“, док се уређаји произведени на супстрату називају „реверзна епитаксија“, при чему епитаксијални слој служи само као подршка.

Хомогена и хетерогена епитаксија

▪Хомогена епитаксија:Епитаксијални слој и подлога су направљени од истог материјала: нпр. Си/Си, ГаАс/ГаАс, ГаП/ГаП.

▪Хетерогена епитаксија:Епитаксијални слој и подлога су направљени од различитих материјала: на пример, Си/Ал₂О₃, ГаС/Си, ГаАлАс/ГаАс, ГаН/СиЦ, итд.

Полисхед Ваферс

Које проблеме решава епитаксија?

Масивни монокристални материјали сами по себи нису довољни да задовоље све сложеније захтеве производње полупроводничких уређаја. Стога је крајем 1959. развијена техника раста танког монокристалног материјала позната као епитаксија. Али како је епитаксијална технологија посебно помогла напретку материјала? За силицијум, развој силицијумске епитаксије догодио се у критичном тренутку када се производња високофреквентних силицијумских транзистора велике снаге суочила са значајним потешкоћама. Из перспективе принципа транзистора, постизање високе фреквенције и снаге захтева да напон пробоја у региону колектора буде висок, а серијски отпор низак, што значи да напон засићења треба да буде мали. Први захтева високу отпорност у материјалу колектора, док други захтева ниску отпорност, што ствара контрадикцију. Смањење дебљине колекторског региона ради смањења серијске отпорности учинило би силицијумску плочицу превише танком и крхком за обраду, а смањење отпора би било у супротности са првим захтевом. Развој епитаксијалне технологије је успешно решио ово питање. Решење је било узгој епитаксијалног слоја високе отпорности на подлози ниске отпорности. Уређај је произведен на епитаксијалном слоју, обезбеђујући висок пробојни напон транзистора, док супстрат ниске отпорности смањује отпор базе и смањује напон засићења, решавајући контрадикцију између два захтева.

Поред тога, епитаксијалне технологије за једињене полупроводнике ИИИ-В и ИИ-ВИ као што су ГаАс, ГаН и други, укључујући епитаксију у парној и течној фази, забележиле су значајан напредак. Ове технологије су постале неопходне за производњу многих микроталасних, оптоелектронских и енергетских уређаја. Конкретно, технике као што су епитаксија молекуларним снопом (МБЕ) и метал-органско хемијско таложење паре (МОЦВД) су успешно примењене на танке слојеве, суперрешетке, квантне бунаре, напрегнуте суперрешетке и танке епитаксијалне слојеве атомске размере, постављајући чврсту основу за развој нових области полупроводника као што је „банд инжењеринг“.

У практичним применама, већина широкопојасних полупроводничких уређаја се производи на епитаксијалним слојевима, при чему се материјали попут силицијум карбида (СиЦ) користе искључиво као супстрати. Стога је контрола епитаксијалног слоја критичан фактор у индустрији полупроводника са широким појасом.

Технологија епитаксије: седам кључних карактеристика

1. Епитаксија може развити слој високе (или ниске) отпорности на подлози ниске (или високе) отпорности.

2. Епитаксија дозвољава раст епитаксијалних слојева типа Н (или П) на супстратима типа П (или Н), директно формирајући ПН спој без проблема са компензацијом који настају када се користи дифузија за стварање ПН споја на супстрату од једног кристала.

3. Када се комбинује са технологијом маске, селективни епитаксијални раст се може извршити у одређеним областима, омогућавајући производњу интегрисаних кола и уређаја са посебним структурама.

4. Епитаксијални раст омогућава контролу типова и концентрација допинга, са могућношћу постизања наглих или постепених промена концентрације.

5. Епитаксија може да расте хетерогена, вишеслојна, вишекомпонентна једињења са променљивим саставом, укључујући ултра танке слојеве.

6. Епитаксијални раст се може десити на температурама испод тачке топљења материјала, са контролисаном стопом раста, што омогућава прецизност на атомском нивоу у дебљини слоја.

7. Епитаксија омогућава раст монокристалних слојева материјала који се не могу увући у кристале, као што су ГаН и тернарни/кватернарни полупроводници.

Различити епитаксијални слојеви и епитаксијални процеси

Укратко, епитаксијални слојеви нуде лакше контролисану и савршенију кристалну структуру од масивних супстрата, што је корисно за развој напредних материјала.