Miks pooljuhtseadmed vajavad "epitaksiaalset kihti"

Nime "Epitaxial Wafer" päritolu

Vahvlite ettevalmistamine koosneb kahest põhietapist: substraadi ettevalmistamine ja epitaksiaalne protsess. Substraat on valmistatud pooljuht monokristallmaterjalist ja seda töödeldakse tavaliselt pooljuhtseadmete tootmiseks. Samuti võib see läbida epitaksiaalse töötlemise, et moodustada epitaksiaalne vahvel. Epitaksia viitab uue monokristallkihi kasvatamise protsessile hoolikalt töödeldud monokristall-substraadil. Uus monokristall võib olla substraadiga samast materjalist (homogeenne epitaksia) või erinevast materjalist (heterogeenne epitaksia). Kuna uus kristallikiht kasvab koos substraadi kristalli orientatsiooniga, nimetatakse seda epitaksiaalseks kihiks. Epitaksiaalse kihiga vahvlit nimetatakse epitaksiaalseks vahvliks (epitaksiaalvahv = epitaksiaalkiht + substraat). Epitaksiaalsel kihil valmistatud seadmeid nimetatakse "edaspidiseks epitaksiks", samas kui substraadil valmistatud seadmeid nimetatakse "pöördepitaksiks", kus epitaksiaalkiht toimib ainult toena.

Homogeenne ja heterogeenne epitaksia

▪Homogeenne epitaksia:Epitaksiaalne kiht ja substraat on valmistatud samast materjalist: nt Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Heterogeenne epitaksia:Epitaksiaalne kiht ja substraat on valmistatud erinevatest materjalidest: nt Si/Al₂O3, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC jne.

Poleeritud vahvlid

Milliseid probleeme Epitaxy lahendab?

Puiste monokristallmaterjalidest üksi ei piisa pooljuhtseadmete valmistamise üha keerukamate nõudmiste rahuldamiseks. Seetõttu töötati 1959. aasta lõpus välja õhukese monokristallmaterjali kasvatamise tehnika, mida tuntakse epitaksina. Kuid kuidas aitas epitaksiaaltehnoloogia konkreetselt materjalide edasiarendamist? Räni puhul toimus räni epitaksia väljatöötamine kriitilisel ajal, mil kõrgsageduslike ja suure võimsusega ränitransistoride valmistamine seisis silmitsi oluliste raskustega. Transistori põhimõtete seisukohast eeldab kõrge sageduse ja võimsuse saavutamine, et kollektoripiirkonna läbilöögipinge oleks kõrge ja jadatakistus madal, mis tähendab, et küllastuspinge peaks olema väike. Esimene nõuab kollektori materjalis suurt takistust, teine ​​aga madalat takistust, mis tekitab vastuolu. Kollektoripiirkonna paksuse vähendamine jadatakistuse vähendamiseks muudaks räniplaadi töötlemiseks liiga õhukeseks ja hapraks ning takistuse vähendamine oleks vastuolus esimese nõudega. Epitaksiaaltehnoloogia areng lahendas selle probleemi edukalt. Lahenduseks oli suure takistusega epitaksiaalse kihi kasvatamine madala takistusega substraadile. Seade on valmistatud epitaksiaalsele kihile, tagades transistori kõrge läbilöögipinge, samas kui madala eritakistusega substraat vähendab baastakistust ja alandab küllastuspinget, lahendades vastuolu kahe nõude vahel.

Lisaks on III-V ja II-VI liitpooljuhtide, nagu GaAs, GaN jt, epitaksiaaltehnoloogiad, sealhulgas aurufaasi ja vedelfaasi epitaks, näinud märkimisväärseid edusamme. Need tehnoloogiad on muutunud oluliseks paljude mikrolaineahjude, optoelektrooniliste ja toiteseadmete valmistamisel. Eelkõige on selliseid tehnikaid nagu molekulaarkiirepitakstika (MBE) ja metallorgaaniline keemiline aurustamine-sadestamine (MOCVD) edukalt rakendatud õhukeste kihtide, supervõrede, kvantkaevude, pingestatud supervõrede ja aatomiskaala õhukeste epitaksiaalsete kihtide puhul, pannes sellega tugeva aluse uute pooljuhtide väljade, nagu "ribatehnoloogia" arendamine.

Praktilistes rakendustes valmistatakse enamik lairibavahelisi pooljuhtseadmeid epitaksiaalsetel kihtidel, kusjuures selliseid materjale nagu ränikarbiid (SiC) kasutatakse ainult substraatidena. Seetõttu on epitaksiaalse kihi juhtimine lairiba-pooljuhtidetööstuses kriitiline tegur.

Epitaksitehnoloogia: seitse põhifunktsiooni

1. Epitaxy võib kasvatada madala (või suure) eritakistusega substraadile suure (või väikese) takistusega kihi.

2. Epitaksia võimaldab kasvatada N (või P) tüüpi epitaksiaalseid kihte P (või N) tüüpi substraatidel, moodustades otse PN-siirde ilma kompensatsiooniprobleemideta, mis tekivad difusiooni kasutamisel PN-siirde loomisel monokristall-substraadil.

3. Maskitehnoloogiaga kombineerituna saab spetsiifilistes piirkondades teostada selektiivset epitaksiaalset kasvu, mis võimaldab valmistada integraallülitusi ja eristruktuuriga seadmeid.

4. Epitaksiaalne kasv võimaldab kontrollida dopingutüüpe ja -kontsentratsioone, saavutades kontsentratsiooni järsku või järkjärgulist muutust.

5. Epitaxy abil saab kasvatada heterogeenseid, mitmekihilisi, mitmekomponentseid muutuva koostisega ühendeid, sealhulgas üliõhukesi kihte.

6. Epitaksiaalne kasv võib toimuda temperatuuridel, mis on madalamad kui materjali sulamistemperatuur, kusjuures kasvukiirus on kontrollitav, võimaldades kihi paksuse aatomitasemel täpsust.

7. Epitaksia võimaldab kasvatada üksikute kristallide kihte materjalidest, mida ei saa kristallideks tõmmata, nagu GaN ja kolmekomponentsed/kvaternaarsed liitpooljuhid.

Erinevad epitaksiaalsed kihid ja epitaksiaalsed protsessid

Kokkuvõttes pakuvad epitaksiaalsed kihid kergemini juhitavat ja täiuslikumat kristallstruktuuri kui lahtised substraadid, mis on kasulikud täiustatud materjalide arendamiseks.