Varför halvledarenheter kräver ett "epitaxiellt lager"

Ursprunget till namnet "Epitaxial Wafer"

Beredning av wafer består av två huvudsteg: substratberedning och epitaxiell process. Substratet är tillverkat av halvledarenkristallmaterial och bearbetas vanligtvis för att producera halvledarenheter. Den kan också genomgå epitaxiell bearbetning för att bilda en epitaxiell wafer. Epitaxi hänvisar till processen att odla ett nytt enkristalllager på ett noggrant bearbetat enkristallsubstrat. Den nya enkristallen kan vara av samma material som substratet (homogen epitaxi) eller ett annat material (heterogen epitaxi). Eftersom det nya kristallskiktet växer i linje med substratets kristallorientering, kallas det ett epitaxiellt skikt. Skivan med det epitaxiella skiktet hänvisas till som ett epitaxiellt skikt (epitaxialt skikt = epitaxiellt skikt + substrat). Enheter tillverkade på det epitaxiella lagret kallas "framåt epitaxi", medan enheter tillverkade på substratet kallas "omvänd epitaxi", där det epitaxiella lagret endast fungerar som ett stöd.

Homogen och heterogen epitaxi

▪Homogen epitaxi:Det epitaxiella skiktet och substratet är gjorda av samma material: t.ex. Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Heterogen epitaxi:Det epitaxiella skiktet och substratet är gjorda av olika material: t.ex. Si/Al2O3, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC, etc.

Polerade wafers

Vilka problem löser epitaxi?

Enbart enkristallmaterial i bulk är otillräckliga för att möta de allt mer komplexa kraven för tillverkning av halvledaranordningar. Därför utvecklades i slutet av 1959 den tunna enkristallmaterialtillväxttekniken känd som epitaxi. Men hur hjälpte epitaxialteknologi specifikt till materialutvecklingen? För kisel inträffade utvecklingen av kiselepitaxi vid en kritisk tidpunkt då tillverkningen av högfrekventa kiseltransistorer med hög effekt stod inför betydande svårigheter. Ur transistorprincipernas perspektiv kräver att uppnå hög frekvens och effekt att kollektorområdets genombrottsspänning är hög och serieresistansen låg, vilket betyder att mättnadsspänningen bör vara liten. Den förra kräver hög resistivitet i kollektormaterialet, medan den senare kräver låg resistivitet, vilket skapar en motsägelse. Att minska tjockleken på kollektorområdet för att minska serieresistansen skulle göra kiselskivan för tunn och ömtålig för bearbetning, och en sänkning av resistiviteten skulle komma i konflikt med det första kravet. Utvecklingen av epitaxialteknologi löste detta problem framgångsrikt. Lösningen var att odla ett epitaxiellt skikt med hög resistivitet på ett lågresistivt substrat. Enheten är tillverkad på det epitaxiella lagret, vilket säkerställer transistorns höga genombrottsspänning, medan substratet med låg resistivitet minskar basresistansen och sänker mättnadsspänningen, vilket löser motsättningen mellan de två kraven.

Dessutom har epitaxialteknologier för III-V och II-VI sammansatta halvledare som GaAs, GaN och andra, inklusive ångfas- och vätskefasepitaxi, sett betydande framsteg. Dessa teknologier har blivit viktiga för tillverkningen av många mikrovågs-, optoelektroniska och kraftenheter. I synnerhet har tekniker som molekylär strålepitaxi (MBE) och metall-organisk kemisk ångavsättning (MOCVD) framgångsrikt tillämpats på tunna skikt, supergitter, kvantbrunnar, spända supergitter och tunna epitaxiallager i atomskala, vilket lägger en solid grund för utvecklingen av nya halvledarfält som "bandteknik".

I praktiska tillämpningar tillverkas de flesta halvledarenheter med breda bandgap på epitaxiella skikt, med material som kiselkarbid (SiC) som endast används som substrat. Därför är kontroll av det epitaxiella lagret en kritisk faktor i halvledarindustrin med breda bandgap.

Epitaxiteknik: Sju nyckelfunktioner

1. Epitaxi kan växa ett skikt med hög (eller låg) resistivitet på ett substrat med låg (eller hög) resistivitet.

2. Epitaxi tillåter tillväxt av epitaxiella lager av N (eller P) typ på substrat av P (eller N) typ, direkt bildar en PN-övergång utan de kompensationsproblem som uppstår när diffusion används för att skapa en PN-övergång på ett enkristallsubstrat.

3. I kombination med maskteknologi kan selektiv epitaxiell tillväxt utföras i specifika områden, vilket möjliggör tillverkning av integrerade kretsar och enheter med speciella strukturer.

4. Epitaxiell tillväxt möjliggör kontroll av dopningstyper och koncentrationer, med förmågan att uppnå abrupta eller gradvisa förändringar i koncentrationen.

5. Epitaxi kan växa heterogena, flerskiktiga, multikomponentföreningar med varierande sammansättning, inklusive ultratunna skikt.

6. Epitaxiell tillväxt kan ske vid temperaturer under materialets smältpunkt, med en kontrollerbar tillväxthastighet, vilket möjliggör precision på atomnivå i skikttjockleken.

7. Epitaxi möjliggör tillväxt av enkristalllager av material som inte kan dras in i kristaller, såsom GaN och ternära/kvartära sammansatta halvledare.

Olika epitaxiella skikt och epitaxiella processer

Sammanfattningsvis erbjuder epitaxiella skikt en mer lättkontrollerad och perfekt kristallstruktur än bulksubstrat, vilket är fördelaktigt för utvecklingen av avancerade material.