Походження назви «Епітаксіальна пластина»
Підготовка пластини складається з двох основних етапів: підготовки підкладки та епітаксійного процесу. Підкладка виготовлена з напівпровідникового монокристалічного матеріалу і зазвичай обробляється для виробництва напівпровідникових пристроїв. Він також може піддаватися епітаксіальній обробці для формування епітаксіальної пластини. Епітаксія відноситься до процесу вирощування нового монокристалічного шару на ретельно обробленій монокристалічній підкладці. Новий монокристал може бути з того самого матеріалу, що й підкладка (гомогенна епітаксія), або з іншого матеріалу (гетерогенна епітаксія). Оскільки новий кристалічний шар росте відповідно до орієнтації кристала підкладки, його називають епітаксіальним шаром. Пластина з епітаксійним шаром називається епітаксіальною пластиною (епітаксіальна пластина = епітаксійний шар + підкладка). Пристрої, виготовлені на епітаксійному шарі, називаються «прямою епітаксією», тоді як пристрої, виготовлені на підкладці, називаються «зворотною епітаксією», де епітаксіальний шар служить лише опорою.
Гомогенна та гетерогенна епітаксія
▪Гомогенна епітаксія:Епітаксіальний шар і підкладка виготовлені з одного матеріалу: наприклад, Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.
▪Гетерогенна епітаксія:Епітаксіальний шар і підкладка виготовляються з різних матеріалів: наприклад, Si/Al₂O3, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC тощо.
Поліровані вафлі
Які проблеми вирішує епітаксія?
Самих масивних монокристалічних матеріалів недостатньо, щоб задовольнити дедалі складніші вимоги виготовлення напівпровідникових пристроїв. Тому наприкінці 1959 року була розроблена техніка вирощування тонкого монокристалічного матеріалу, відома як епітаксія. Але як саме епітаксіальна технологія допомогла вдосконаленню матеріалів? Для кремнію розробка кремнієвої епітаксії відбулася в критичний час, коли виготовлення високочастотних кремнієвих транзисторів великої потужності зіткнулося зі значними труднощами. З точки зору транзисторних принципів, досягнення високої частоти та потужності вимагає, щоб напруга пробою колекторної області була високою, а послідовний опір був низьким, тобто напруга насичення повинна бути малою. Перший вимагає високого питомого опору матеріалу колектора, а другий вимагає низького питомого опору, що створює протиріччя. Зменшення товщини колекторної області для зменшення послідовного опору зробило б кремнієву пластину занадто тонкою та крихкою для обробки, а зниження питомого опору суперечило б першій вимозі. Розвиток епітаксійної технології успішно вирішив цю проблему. Рішення полягало у вирощуванні епітаксійного шару з високим питомим опором на підкладці з низьким опором. Пристрій виготовлено на епітаксіальному шарі, що забезпечує високу напругу пробою транзистора, тоді як підкладка з низьким питомим опором зменшує базовий опір і знижує напругу насичення, усуваючи протиріччя між двома вимогами.
Крім того, епітаксійні технології для складних напівпровідників III-V і II-VI, таких як GaAs, GaN та інші, включаючи парофазну та рідкофазну епітаксію, досягли значного прогресу. Ці технології стали важливими для виготовлення багатьох мікрохвильових, оптоелектронних і силових пристроїв. Зокрема, такі методи, як молекулярно-променева епітаксія (MBE) і металоорганічне хімічне осадження з парової фази (MOCVD), були успішно застосовані до тонких шарів, надграток, квантових ям, напружених надграток і тонких епітаксійних шарів атомного масштабу, заклавши міцну основу для розвиток нових галузей напівпровідників, таких як «зонна інженерія».
У практичних застосуваннях більшість широкозонних напівпровідникових пристроїв виготовляються на епітаксіальних шарах, при цьому такі матеріали, як карбід кремнію (SiC), використовуються виключно як підкладки. Таким чином, контроль епітаксійного шару є критичним фактором у промисловості широкозонних напівпровідників.
Технологія епітаксії: сім основних функцій
1. Епітаксія може виростити шар з високим (або низьким) опором на підкладці з низьким (або високим) опором.
2. Епітаксія дозволяє нарощувати епітаксіальні шари типу N (або P) на підкладках типу P (або N), безпосередньо формуючи PN-перехід без проблем компенсації, які виникають при використанні дифузії для створення PN-переходу на монокристалічній підкладці.
3. У поєднанні з технологією маски вибіркове епітаксійне зростання може виконуватися в певних областях, що дозволяє виготовляти інтегральні схеми та пристрої зі спеціальною структурою.
4. Епітаксіальне зростання дозволяє контролювати типи та концентрації легуючих речовин із можливістю досягати різких або поступових змін концентрації.
5. Епітаксія може вирощувати неоднорідні, багатошарові, багатокомпонентні сполуки зі змінним складом, включаючи ультратонкі шари.
6. Епітаксійне зростання може відбуватися при температурах, нижчих за температуру плавлення матеріалу, з контрольованою швидкістю росту, що забезпечує точність товщини шару на атомному рівні.
7. Епітаксія дає змогу вирощувати монокристалічні шари матеріалів, які неможливо втягнути в кристали, наприклад GaN і потрійні/четвертинні складні напівпровідники.
Різні епітаксійні шари та епітаксійні процеси
Підсумовуючи, епітаксіальні шари пропонують більш легко контрольовану та досконалу кристалічну структуру, ніж об’ємні підкладки, що є корисним для розробки передових матеріалів.
Час публікації: 24 грудня 2024 р