De ce dispozitivele semiconductoare necesită un „strat epitaxial”

Originea numelui „Napolitana epitaxiale”

Pregătirea plachetelor constă în două etape principale: pregătirea substratului și procesul epitaxial. Substratul este realizat din material semiconductor monocristal și este de obicei procesat pentru a produce dispozitive semiconductoare. De asemenea, poate suferi o prelucrare epitaxială pentru a forma o placă epitaxială. Epitaxia se referă la procesul de creștere a unui nou strat monocristal pe un substrat monocristal prelucrat cu grijă. Noul monocristal poate fi din același material ca substratul (epitaxie omogenă) sau dintr-un material diferit (epitaxie eterogenă). Deoarece noul strat de cristal crește în aliniament cu orientarea cristalului substratului, se numește strat epitaxial. Placa cu stratul epitaxial este denumită napolitană epitaxială (placa epitaxială = strat epitaxial + substrat). Dispozitivele fabricate pe stratul epitaxial sunt numite „epitaxie înainte”, în timp ce dispozitivele fabricate pe substrat sunt denumite „epitaxie inversă”, unde stratul epitaxial servește doar ca suport.

Epitaxie omogenă și eterogenă

▪Epitaxie omogenă:Stratul epitaxial și substratul sunt realizate din același material: de exemplu, Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Epitaxie eterogenă:Stratul epitaxial și substratul sunt realizate din diferite materiale: de exemplu, Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC etc.

Napolitane lustruite

Ce probleme rezolvă epitaxia?

Materialele monocristal în vrac sunt insuficiente pentru a satisface cerințele din ce în ce mai complexe ale fabricării dispozitivelor semiconductoare. Prin urmare, la sfârșitul anului 1959, a fost dezvoltată tehnica de creștere a materialului monocristal subțire cunoscută sub numele de epitaxie. Dar cum a ajutat tehnologia epitaxială în mod specific la progresul materialelor? Pentru siliciu, dezvoltarea epitaxiei de siliciu a avut loc într-un moment critic când fabricarea tranzistorilor de siliciu de înaltă frecvență și putere s-a confruntat cu dificultăți semnificative. Din perspectiva principiilor tranzistorului, atingerea frecvenței și puterii înalte necesită ca tensiunea de defalcare a regiunii colectorului să fie ridicată, iar rezistența seriei să fie scăzută, ceea ce înseamnă că tensiunea de saturație ar trebui să fie mică. Primul necesită rezistivitate mare în materialul colectorului, în timp ce al doilea necesită rezistivitate scăzută, ceea ce creează o contradicție. Reducerea grosimii regiunii colectorului pentru a reduce rezistența în serie ar face placheta de siliciu prea subțire și fragilă pentru procesare, iar scăderea rezistivității ar intra în conflict cu prima cerință. Dezvoltarea tehnologiei epitaxiale a rezolvat cu succes această problemă. Soluția a fost să crească un strat epitaxial cu rezistivitate ridicată pe un substrat cu rezistivitate scăzută. Dispozitivul este fabricat pe stratul epitaxial, asigurând tensiunea mare de rupere a tranzistorului, în timp ce substratul cu rezistivitate scăzută reduce rezistența de bază și scade tensiunea de saturație, rezolvând contradicția dintre cele două cerințe.

În plus, tehnologiile epitaxiale pentru semiconductori compuși III-V și II-VI, cum ar fi GaAs, GaN și altele, inclusiv epitaxia în fază de vapori și fază lichidă, au înregistrat progrese semnificative. Aceste tehnologii au devenit esențiale pentru fabricarea multor dispozitive cu microunde, optoelectronice și de putere. În special, tehnici precum epitaxia cu fascicul molecular (MBE) și depunerea de vapori chimici metalo-organici (MOCVD) au fost aplicate cu succes la straturi subțiri, superrețele, godeuri cuantice, superrețele tensionate și straturi epitaxiale subțiri la scară atomică, punând o bază solidă pentru dezvoltarea de noi domenii de semiconductori, cum ar fi „ingineria benzilor”.

În aplicațiile practice, majoritatea dispozitivelor semiconductoare cu bandă interzisă sunt fabricate pe straturi epitaxiale, materiale precum carbura de siliciu (SiC) fiind utilizate numai ca substraturi. Prin urmare, controlul stratului epitaxial este un factor critic în industria semiconductoarelor cu bandă interzisă largă.

Tehnologia epitaxiei: șapte caracteristici cheie

1. Epitaxia poate crește un strat cu rezistivitate mare (sau scăzută) pe un substrat cu rezistivitate scăzută (sau mare).

2. Epitaxia permite creșterea straturilor epitaxiale de tip N (sau P) pe substraturi de tip P (sau N), formând direct o joncțiune PN fără problemele de compensare care apar la utilizarea difuziei pentru a crea o joncțiune PN pe un substrat monocristal.

3. Atunci când este combinată cu tehnologia măștii, creșterea epitaxială selectivă poate fi realizată în zone specifice, permițând fabricarea de circuite integrate și dispozitive cu structuri speciale.

4. Creșterea epitaxială permite controlul tipurilor și concentrațiilor de dopaj, cu capacitatea de a realiza schimbări bruște sau graduale de concentrare.

5. Epitaxia poate crește compuși eterogene, multistratificati, multicomponent, cu compoziții variabile, inclusiv straturi ultra-subțiri.

6. Creșterea epitaxială poate avea loc la temperaturi sub punctul de topire al materialului, cu o rată de creștere controlabilă, permițând precizie la nivel atomic în grosimea stratului.

7. Epitaxia permite creșterea straturilor de un singur cristal de materiale care nu pot fi trase în cristale, cum ar fi GaN și semiconductori compuși ternari/cuaternari.

Diverse straturi epitaxiale și procese epitaxiale

Pe scurt, straturile epitaxiale oferă o structură cristalină mai ușor de controlat și perfectă decât substraturile în vrac, ceea ce este benefic pentru dezvoltarea materialelor avansate.