Hvorfor halvlederenheder kræver et "epitaksialt lag"

Oprindelsen af ​​navnet "Epitaxial Wafer"

Waferforberedelse består af to hovedtrin: substratforberedelse og epitaksial proces. Substratet er lavet af halvlederenkeltkrystalmateriale og behandles typisk til fremstilling af halvlederenheder. Det kan også gennemgå epitaksial behandling for at danne en epitaksial wafer. Epitaksi refererer til processen med at dyrke et nyt enkeltkrystallag på et omhyggeligt behandlet enkeltkrystalsubstrat. Den nye enkeltkrystal kan være af samme materiale som substratet (homogen epitaksi) eller et andet materiale (heterogen epitaksi). Da det nye krystallag vokser på linje med substratets krystalorientering, kaldes det et epitaksielt lag. Waferen med det epitaksiale lag omtales som en epitaksial wafer (epitaksial wafer = epitaksial lag + substrat). Enheder fremstillet på det epitaksiale lag kaldes "fremad epitaksi", mens enheder fremstillet på substratet omtales som "omvendt epitaksi", hvor det epitaksiale lag kun tjener som en støtte.

Homogen og heterogen epitaksi

▪Homogen epitaksi:Det epitaksiale lag og substrat er lavet af det samme materiale: fx Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Heterogen epitaksi:Det epitaksiale lag og substrat er lavet af forskellige materialer: fx Si/Al2O3, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC osv.

Polerede wafers

Hvilke problemer løser epitaksi?

Bulk enkeltkrystalmaterialer alene er utilstrækkelige til at opfylde de stadig mere komplekse krav til fremstilling af halvlederenheder. Derfor blev i slutningen af ​​1959 udviklet den tynde enkeltkrystalmaterialevækstteknik kendt som epitaksi. Men hvordan hjalp epitaksial teknologi specifikt med at fremme materialer? For silicium skete udviklingen af ​​siliciumepitaksi på et kritisk tidspunkt, hvor fremstillingen af ​​højfrekvente, højeffekts siliciumtransistorer stod over for betydelige vanskeligheder. Fra transistorprincippernes perspektiv kræver opnåelse af høj frekvens og effekt, at kollektorregionens gennembrudsspænding er høj, og seriemodstanden er lav, hvilket betyder, at mætningsspændingen skal være lille. Førstnævnte kræver høj resistivitet i samlermaterialet, mens sidstnævnte kræver lav resistivitet, hvilket skaber en modsætning. Reduktion af tykkelsen af ​​opsamlerområdet for at reducere seriemodstanden ville gøre siliciumwaferen for tynd og skrøbelig til forarbejdning, og en sænkning af resistiviteten ville være i konflikt med det første krav. Udviklingen af ​​epitaksial teknologi løste dette problem med succes. Løsningen var at dyrke et epitaksielt lag med høj resistivitet på et lavresistivt substrat. Enheden er fremstillet på det epitaksiale lag, hvilket sikrer transistorens høje gennembrudsspænding, mens substratet med lav resistivitet reducerer basismodstanden og sænker mætningsspændingen, hvilket løser modsætningen mellem de to krav.

Derudover har epitaksiale teknologier til III-V og II-VI sammensatte halvledere, såsom GaAs, GaN og andre, inklusive dampfase- og væskefase-epitaksi, set betydelige fremskridt. Disse teknologier er blevet afgørende for fremstillingen af ​​mange mikrobølge-, optoelektroniske og strømforsyningsenheder. Især er teknikker som molekylær stråleepitaksi (MBE) og metal-organisk kemisk dampaflejring (MOCVD) med succes blevet anvendt på tynde lag, supergitter, kvantebrønde, spændte supergitter og tynde epitaksiale lag i atomskala, hvilket lægger et solidt fundament for udviklingen af ​​nye halvlederfelter såsom "band engineering."

I praktiske anvendelser er de fleste halvlederenheder med bred båndgab fremstillet på epitaksiale lag, hvor materialer som siliciumcarbid (SiC) udelukkende bruges som substrater. Derfor er styring af det epitaksiale lag en kritisk faktor i halvlederindustrien med brede båndgab.

Epitaxy-teknologi: Syv nøglefunktioner

1. Epitaksi kan vokse et lag med høj (eller lav) resistivitet på et substrat med lav (eller høj) resistivitet.

2. Epitaksi tillader vækst af N (eller P) type epitaksiale lag på P (eller N) type substrater, der direkte danner en PN overgang uden de kompensationsproblemer, der opstår ved brug af diffusion til at skabe en PN overgang på et enkelt krystal substrat.

3. Når det kombineres med masketeknologi, kan selektiv epitaksial vækst udføres i specifikke områder, hvilket muliggør fremstilling af integrerede kredsløb og enheder med specielle strukturer.

4. Epitaksial vækst giver mulighed for kontrol af dopingtyper og koncentrationer, med evnen til at opnå bratte eller gradvise ændringer i koncentrationen.

5. Epitaksi kan vokse heterogene, flerlags, multi-komponent forbindelser med variable sammensætninger, herunder ultratynde lag.

6. Epitaksial vækst kan forekomme ved temperaturer under materialets smeltepunkt med en kontrollerbar væksthastighed, hvilket muliggør præcision på atomniveau i lagtykkelsen.

7. Epitaksi muliggør vækst af enkeltkrystallag af materialer, der ikke kan trækkes ind i krystaller, såsom GaN og ternære/kvartære sammensatte halvledere.

Forskellige epitaksiale lag og epitaksiale processer

Sammenfattende tilbyder epitaksiale lag en lettere kontrolleret og perfekt krystalstruktur end bulksubstrater, hvilket er gavnligt for udviklingen af ​​avancerede materialer.