Zašto poluprovodnički uređaji zahtijevaju "epitaksialni sloj"

Poreklo naziva "Epitaksijalna oblatna"

Priprema vafla sastoji se od dva glavna koraka: pripreme supstrata i procesa epitaksije. Podloga je napravljena od poluvodičkog monokristalnog materijala i obično se obrađuje za proizvodnju poluvodičkih uređaja. Također se može podvrgnuti epitaksijalnoj obradi kako bi se formirala epitaksijalna pločica. Epitaksija se odnosi na proces uzgoja novog monokristalnog sloja na pažljivo obrađenoj monokristalnoj podlozi. Novi monokristal može biti od istog materijala kao supstrat (homogena epitaksija) ili drugog materijala (heterogena epitaksija). Budući da novi kristalni sloj raste u skladu s kristalnom orijentacijom supstrata, naziva se epitaksijalni sloj. Ploča sa epitaksijalnim slojem se naziva epitaksijalna pločica (epitaksijalna pločica = epitaksijalni sloj + supstrat). Uređaji proizvedeni na epitaksijalnom sloju nazivaju se "prednja epitaksija", dok se uređaji proizvedeni na supstratu nazivaju "reverzna epitaksija", gdje epitaksijalni sloj služi samo kao potpora.

Homogena i heterogena epitaksija

▪Homogena epitaksija:Epitaksijalni sloj i supstrat su napravljeni od istog materijala: npr. Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Heterogena epitaksija:Epitaksijalni sloj i podloga izrađeni su od različitih materijala: npr. Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC, itd.

Polished Wafers

Koje probleme rješava epitaksija?

Masivni monokristalni materijali sami po sebi nisu dovoljni da zadovolje sve složenije zahtjeve proizvodnje poluvodičkih uređaja. Stoga je krajem 1959. razvijena tehnika rasta tankog monokristalnog materijala poznata kao epitaksija. Ali kako je epitaksijalna tehnologija posebno pomogla napretku materijala? Za silicijum, razvoj silicijumske epitaksije dogodio se u kritičnom trenutku kada se proizvodnja visokofrekventnih silicijumskih tranzistora velike snage suočila sa značajnim poteškoćama. Iz perspektive principa tranzistora, postizanje visoke frekvencije i snage zahtijeva da napon proboja kolektorske regije bude visok, a serijski otpor nizak, što znači da bi napon zasićenja trebao biti mali. Prvi zahtijeva visoku otpornost u materijalu kolektora, dok drugi zahtijeva nisku otpornost, što stvara kontradikciju. Smanjenje debljine kolektorskog područja radi smanjenja serijske otpornosti učinilo bi silikonsku pločicu previše tankom i krhkom za obradu, a smanjenje otpora bi bilo u suprotnosti s prvim zahtjevom. Razvoj epitaksijalne tehnologije uspješno je riješio ovaj problem. Rješenje je bilo uzgoj epitaksijalnog sloja visoke otpornosti na podlozi niske otpornosti. Uređaj je proizveden na epitaksijalnom sloju, osiguravajući visok probojni napon tranzistora, dok supstrat niske otpornosti smanjuje otpor baze i smanjuje napon zasićenja, rješavajući kontradikciju između dva zahtjeva.

Pored toga, epitaksijalne tehnologije za složene poluprovodnike III-V i II-VI kao što su GaAs, GaN i druge, uključujući epitaksiju u parnoj i tečnoj fazi, doživjele su značajan napredak. Ove tehnologije su postale ključne za proizvodnju mnogih mikrotalasnih, optoelektronskih i energetskih uređaja. Konkretno, tehnike kao što su epitaksija molekularnim snopom (MBE) i metal-organsko hemijsko taloženje pare (MOCVD) uspješno su primijenjene na tanke slojeve, superrešetke, kvantne bunare, napregnute superrešetke i tanke epitaksijalne slojeve atomske skale, postavljajući čvrstu osnovu za razvoj novih oblasti poluprovodnika kao što je „band inženjering“.

U praktičnim primenama, većina poluprovodničkih uređaja sa širokim pojasom se proizvodi na epitaksijalnim slojevima, pri čemu se materijali poput silicijum karbida (SiC) koriste isključivo kao supstrati. Stoga je kontrola epitaksijalnog sloja kritični faktor u industriji poluvodiča širokog pojasa.

Tehnologija epitaksije: sedam ključnih karakteristika

1. Epitaksija može razviti sloj visoke (ili niske) otpornosti na podlozi niske (ili visoke) otpornosti.

2. Epitaksija dozvoljava rast epitaksijalnih slojeva tipa N (ili P) na supstratima tipa P (ili N), direktno formirajući PN spoj bez problema s kompenzacijom koji nastaju kada se koristi difuzija za stvaranje PN spoja na supstratu od jednog kristala.

3. Kada se kombinuje sa tehnologijom maske, selektivni epitaksijalni rast se može izvesti u određenim oblastima, omogućavajući proizvodnju integrisanih kola i uređaja sa posebnim strukturama.

4. Epitaksijalni rast omogućava kontrolu tipova i koncentracija dopinga, uz mogućnost postizanja naglih ili postepenih promjena u koncentraciji.

5. Epitaksija može razviti heterogena, višeslojna, višekomponentna jedinjenja sa promenljivim sastavom, uključujući ultra tanke slojeve.

6. Epitaksijalni rast se može desiti na temperaturama ispod tačke topljenja materijala, sa kontrolisanom stopom rasta, što omogućava preciznost na atomskom nivou u debljini sloja.

7. Epitaksija omogućava rast monokristalnih slojeva materijala koji se ne mogu uvući u kristale, kao što su GaN i ternarni/kvaternarni složeni poluprovodnici.

Različiti epitaksijalni slojevi i epitaksijalni procesi

Ukratko, epitaksijalni slojevi nude lakše kontroliranu i savršeniju kristalnu strukturu od masivnih supstrata, što je korisno za razvoj naprednih materijala.