Γιατί οι συσκευές ημιαγωγών απαιτούν ένα "επιταξιακό στρώμα"

Προέλευση του ονόματος "Epitaxial Wafer"

Η προετοιμασία της γκοφρέτας αποτελείται από δύο βασικά στάδια: προετοιμασία υποστρώματος και επιταξιακή διαδικασία. Το υπόστρωμα είναι κατασκευασμένο από ημιαγωγό μονοκρυσταλλικό υλικό και τυπικά υποβάλλεται σε επεξεργασία για την παραγωγή συσκευών ημιαγωγών. Μπορεί επίσης να υποβληθεί σε επιταξιακή επεξεργασία για να σχηματιστεί μια επιταξιακή γκοφρέτα. Το Epitaxy αναφέρεται στη διαδικασία ανάπτυξης ενός νέου μονοκρυσταλλικού στρώματος σε ένα προσεκτικά επεξεργασμένο μονοκρυσταλλικό υπόστρωμα. Το νέο μονοκρύσταλλο μπορεί να είναι από το ίδιο υλικό με το υπόστρωμα (ομοιογενής επιταξία) ή από διαφορετικό υλικό (ετερογενής επιταξία). Δεδομένου ότι το νέο στρώμα κρυστάλλου αναπτύσσεται σε ευθυγράμμιση με τον κρυσταλλικό προσανατολισμό του υποστρώματος, ονομάζεται επιταξιακό στρώμα. Η γκοφρέτα με το επιταξιακό στρώμα αναφέρεται ως επιταξιακή γκοφρέτα (επιταξιακή γκοφρέτα = επιταξιακή στρώση + υπόστρωμα). Οι συσκευές που κατασκευάζονται στο επιταξιακό στρώμα ονομάζονται «μπροστινή επιταξία», ενώ οι συσκευές που κατασκευάζονται στο υπόστρωμα αναφέρονται ως «αντίστροφη επιταξία», όπου το επιταξιακό στρώμα χρησιμεύει μόνο ως στήριγμα.

Ομογενής και Ετερογενής Επιτάξιος

▪Ομογενής Επιταξία:Το επιταξιακό στρώμα και το υπόστρωμα είναι κατασκευασμένα από το ίδιο υλικό: π.χ. Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Ετερογενής Επιτάξιος:Το επιταξιακό στρώμα και το υπόστρωμα είναι κατασκευασμένα από διαφορετικά υλικά: π.χ. Si/Al2O3, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC κ.λπ.

Γυαλισμένες γκοφρέτες

Ποια προβλήματα λύνει το Epitaxy;

Τα χύδην μονοκρυσταλλικά υλικά από μόνα τους δεν επαρκούν για να καλύψουν τις ολοένα και πιο περίπλοκες απαιτήσεις της κατασκευής συσκευών ημιαγωγών. Ως εκ τούτου, στα τέλη του 1959, αναπτύχθηκε η τεχνική ανάπτυξης λεπτού μονοκρυσταλλικού υλικού, γνωστή ως επιταξία. Πώς όμως η επιταξιακή τεχνολογία βοήθησε συγκεκριμένα την πρόοδο των υλικών; Για το πυρίτιο, η ανάπτυξη της επιταξίας του πυριτίου συνέβη σε μια κρίσιμη στιγμή όπου η κατασκευή τρανζίστορ πυριτίου υψηλής συχνότητας, υψηλής ισχύος αντιμετώπισε σημαντικές δυσκολίες. Από την άποψη των αρχών του τρανζίστορ, η επίτευξη υψηλής συχνότητας και ισχύος απαιτεί η τάση διάσπασης της περιοχής συλλέκτη να είναι υψηλή και η αντίσταση σειράς χαμηλή, πράγμα που σημαίνει ότι η τάση κορεσμού πρέπει να είναι μικρή. Το πρώτο απαιτεί υψηλή ειδική αντίσταση στο υλικό του συλλέκτη, ενώ το δεύτερο απαιτεί χαμηλή ειδική αντίσταση, που δημιουργεί μια αντίφαση. Η μείωση του πάχους της περιοχής του συλλέκτη για τη μείωση της αντίστασης σε σειρά θα καθιστούσε τη γκοφρέτα πυριτίου πολύ λεπτή και εύθραυστη για επεξεργασία και η μείωση της ειδικής αντίστασης θα έρχονταν σε αντίθεση με την πρώτη απαίτηση. Η ανάπτυξη της επιταξιακής τεχνολογίας έλυσε με επιτυχία αυτό το ζήτημα. Η λύση ήταν να αναπτυχθεί ένα επιταξιακό στρώμα υψηλής ειδικής αντίστασης σε ένα υπόστρωμα χαμηλής ειδικής αντίστασης. Η συσκευή κατασκευάζεται στο επιταξιακό στρώμα, εξασφαλίζοντας την υψηλή τάση διάσπασης του τρανζίστορ, ενώ το υπόστρωμα χαμηλής αντίστασης μειώνει την αντίσταση βάσης και μειώνει την τάση κορεσμού, λύνοντας την αντίφαση μεταξύ των δύο απαιτήσεων.

Επιπλέον, οι επιταξιακές τεχνολογίες για σύνθετους ημιαγωγούς III-V και II-VI όπως GaAs, GaN και άλλοι, συμπεριλαμβανομένης της επιταξίας ατμού και υγρής φάσης, έχουν σημειώσει σημαντικές προόδους. Αυτές οι τεχνολογίες έχουν γίνει απαραίτητες για την κατασκευή πολλών συσκευών μικροκυμάτων, οπτοηλεκτρονικών και ηλεκτρικών συσκευών. Συγκεκριμένα, τεχνικές όπως η μοριακή επιταξία δέσμης (MBE) και η μεταλλοοργανική χημική εναπόθεση ατμών (MOCVD) έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία σε λεπτά στρώματα, υπερδικτυώματα, κβαντικά φρεάτια, τεντωμένα υπερπλέγματα και λεπτά επιταξιακά στρώματα ατομικής κλίμακας, θέτοντας μια σταθερή βάση για η ανάπτυξη νέων πεδίων ημιαγωγών όπως η «μηχανική ζώνης».

Σε πρακτικές εφαρμογές, οι περισσότερες συσκευές ημιαγωγών ευρείας ζώνης κατασκευάζονται σε επιταξιακά στρώματα, με υλικά όπως το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) να χρησιμοποιούνται αποκλειστικά ως υποστρώματα. Επομένως, ο έλεγχος του επιταξιακού στρώματος είναι ένας κρίσιμος παράγοντας στη βιομηχανία ημιαγωγών ευρείας ζώνης.

Τεχνολογία Epitaxy: Επτά βασικά χαρακτηριστικά

1. Το Epitaxy μπορεί να αναπτύξει ένα στρώμα υψηλής (ή χαμηλής) ειδικής αντίστασης σε ένα υπόστρωμα χαμηλής (ή υψηλής) ειδικής αντίστασης.

2. Το Epitaxy επιτρέπει την ανάπτυξη επιταξιακών στρωμάτων τύπου N (ή P) σε υποστρώματα τύπου P (ή N), σχηματίζοντας απευθείας μια σύνδεση PN χωρίς τα προβλήματα αντιστάθμισης που προκύπτουν κατά τη χρήση της διάχυσης για τη δημιουργία μιας ένωσης PN σε ένα μονοκρυσταλλικό υπόστρωμα.

3. Όταν συνδυάζεται με την τεχνολογία μάσκας, μπορεί να πραγματοποιηθεί επιλεκτική επιταξιακή ανάπτυξη σε συγκεκριμένες περιοχές, επιτρέποντας την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και συσκευών με ειδικές δομές.

4. Η επιταξιακή ανάπτυξη επιτρέπει τον έλεγχο των τύπων και συγκεντρώσεων ντόπινγκ, με την ικανότητα να επιτυγχάνονται απότομες ή σταδιακές αλλαγές στη συγκέντρωση.

5. Το Epitaxy μπορεί να αναπτύξει ετερογενείς, πολυστρωματικές, πολλαπλών συστατικών ενώσεις με μεταβλητές συνθέσεις, συμπεριλαμβανομένων εξαιρετικά λεπτών στρωμάτων.

6. Η επιταξιακή ανάπτυξη μπορεί να συμβεί σε θερμοκρασίες κάτω από το σημείο τήξης του υλικού, με ελεγχόμενο ρυθμό ανάπτυξης, που επιτρέπει την ακρίβεια ατομικού επιπέδου στο πάχος του στρώματος.

7. Η επιταξία επιτρέπει την ανάπτυξη μονοκρυσταλλικών στρωμάτων υλικών που δεν μπορούν να έλκονται σε κρυστάλλους, όπως το GaN και οι τριμερείς/τεταρτοταγείς σύνθετοι ημιαγωγοί.

Διάφορα επιταξιακά στρώματα και επιταξιακές διεργασίες

Συνοπτικά, τα επιταξιακά στρώματα προσφέρουν μια πιο εύκολα ελεγχόμενη και τέλεια κρυσταλλική δομή από τα χύδην υποστρώματα, η οποία είναι ευεργετική για την ανάπτυξη προηγμένων υλικών.