Hvorfor halvlederenheter krever et "epitaksialt lag"

Opprinnelsen til navnet "Epitaxial Wafer"

Waferpreparering består av to hovedtrinn: substratpreparering og epitaksial prosess. Substratet er laget av halvleder-enkrystallmateriale og behandles vanligvis for å produsere halvlederenheter. Den kan også gjennomgå epitaksial prosessering for å danne en epitaksial wafer. Epitaksi refererer til prosessen med å dyrke et nytt enkeltkrystalllag på et nøye behandlet enkeltkrystallsubstrat. Den nye enkeltkrystallen kan være av samme materiale som substratet (homogen epitaksi) eller et annet materiale (heterogen epitaksi). Siden det nye krystalllaget vokser i flukt med underlagets krystallorientering, kalles det et epitaksielt lag. Waferen med epitaksiallaget omtales som en epitaksial wafer (epitaksial wafer = epitaksiallag + substrat). Enheter som er produsert på det epitaksiale laget kalles "fremover epitaksi", mens enheter produsert på substratet blir referert til som "revers epitaksi", der det epitaksiale laget bare tjener som en støtte.

Homogen og heterogen epitaksi

▪Homogen epitaksi:Det epitaksiale laget og substratet er laget av samme materiale: for eksempel Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Heterogen epitaksi:Det epitaksiale laget og substratet er laget av forskjellige materialer: for eksempel Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC, etc.

Polerte wafers

Hvilke problemer løser epitaksi?

Bulk enkeltkrystallmaterialer alene er utilstrekkelige for å møte de stadig mer komplekse kravene til fremstilling av halvlederenheter. Derfor, på slutten av 1959, ble den tynne enkeltkrystallmaterialevekstteknikken kjent som epitaksi utviklet. Men hvordan hjalp epitaksial teknologi spesifikt utviklingen av materialer? For silisium skjedde utviklingen av silisiumepitaksi på et kritisk tidspunkt da fabrikasjonen av høyfrekvente, høyeffekts silisiumtransistorer sto overfor betydelige vanskeligheter. Fra transistorprinsippets perspektiv krever å oppnå høy frekvens og effekt at kollektorregionens sammenbruddsspenning er høy, og seriemotstanden er lav, noe som betyr at metningsspenningen skal være liten. Førstnevnte krever høy resistivitet i kollektormaterialet, mens sistnevnte krever lav resistivitet, noe som skaper en motsetning. Å redusere tykkelsen på oppsamlerområdet for å redusere seriemotstanden ville gjøre silisiumplaten for tynn og skjør for prosessering, og å senke resistiviteten ville være i konflikt med det første kravet. Utviklingen av epitaksial teknologi løste dette problemet. Løsningen var å dyrke et epitaksielt lag med høy resistivitet på et lavresistivt substrat. Enheten er produsert på det epitaksiale laget, og sikrer transistorens høye gjennombruddsspenning, mens substratet med lav resistivitet reduserer basismotstanden og senker metningsspenningen, og løser motsetningen mellom de to kravene.

I tillegg har epitaksiale teknologier for III-V og II-VI sammensatte halvledere som GaAs, GaN og andre, inkludert dampfase- og væskefaseepitaksi, sett betydelige fremskritt. Disse teknologiene har blitt essensielle for fremstilling av mange mikrobølge-, optoelektroniske og kraftenheter. Spesielt har teknikker som molekylær stråleepitaksi (MBE) og metall-organisk kjemisk dampavsetning (MOCVD) blitt brukt på tynne lag, supergitter, kvantebrønner, anstrengte supergitter og tynne epitaksiale lag i atomskala, og legger et solid grunnlag for utviklingen av nye halvlederfelt som «band engineering».

I praktiske applikasjoner er de fleste halvlederenheter med bred båndgap produsert på epitaksiale lag, med materialer som silisiumkarbid (SiC) som utelukkende brukes som underlag. Derfor er kontroll av det epitaksiale laget en kritisk faktor i halvlederindustrien med brede båndgap.

Epitaksiteknologi: Syv nøkkelfunksjoner

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

2. Epitaksi tillater vekst av N (eller P) type epitaksiale lag på P (eller N) type substrater, og danner direkte et PN-kryss uten kompensasjonsproblemene som oppstår ved bruk av diffusjon for å lage et PN-kryss på et enkelt krystallsubstrat.

3. Når det kombineres med masketeknologi, kan selektiv epitaksial vekst utføres i spesifikke områder, noe som muliggjør fremstilling av integrerte kretser og enheter med spesielle strukturer.

4. Epitaksial vekst gir mulighet for kontroll av dopingtyper og konsentrasjoner, med evne til å oppnå brå eller gradvise endringer i konsentrasjonen.

5. Epitaksi kan vokse heterogene, flerlags, multikomponentforbindelser med variable sammensetninger, inkludert ultratynne lag.

6. Epitaksial vekst kan forekomme ved temperaturer under materialets smeltepunkt, med en kontrollerbar veksthastighet, som muliggjør presisjon på atomnivå i lagtykkelse.

7. Epitaksi muliggjør vekst av enkeltkrystalllag av materialer som ikke kan trekkes inn i krystaller, slik som GaN og ternære/kvartære sammensatte halvledere.

Ulike epitaksiale lag og epitaksiale prosesser

Oppsummert tilbyr epitaksiale lag en lettere kontrollert og perfekt krystallstruktur enn bulksubstrater, noe som er gunstig for utviklingen av avanserte materialer.