Miért van szükség a félvezető eszközökhöz „epitaxiális réteg”

Az „Epitaxiális ostya” név eredete

Az ostya előkészítése két fő lépésből áll: a szubsztrátum előkészítésből és az epitaxiális folyamatból. A hordozó félvezető egykristály anyagból készül, és általában félvezető eszközök előállítására dolgozzák fel. Epitaxiális feldolgozáson is áteshet, hogy epitaxiális ostyát képezzen. Az epitaxia egy új egykristályréteg növesztésének folyamatát jelenti egy gondosan feldolgozott egykristály hordozón. Az új egykristály lehet ugyanabból az anyagból, mint a szubsztrátum (homogén epitaxia) vagy más anyagból (heterogén epitaxia). Mivel az új kristályréteg a szubsztrát kristály orientációjával összhangban nő, epitaxiális rétegnek nevezik. Az epitaxiális réteggel rendelkező ostyát epitaxiális ostyának nevezik (epitaxiális ostya = epitaxiális réteg + szubsztrát). Az epitaxiális rétegre gyártott eszközöket „forward epitaxy”-nak, míg a hordozón gyártott eszközöket „fordított epitaxiának” nevezik, ahol az epitaxiális réteg csak támaszként szolgál.

Homogén és heterogén epitaxia

▪Homogén epitaxia:Az epitaxiális réteg és a hordozó ugyanabból az anyagból készül: pl. Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Heterogén epitaxia:Az epitaxiális réteg és a hordozó különböző anyagokból készül: pl. Si/Al2O3, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC stb.

Polírozott ostyák

Milyen problémákat old meg az epitaxia?

Az ömlesztett egykristályos anyagok önmagukban nem elegendőek a félvezető eszközök gyártásának egyre összetettebb igényeinek kielégítésére. Ezért 1959 végén kifejlesztették az epitaxia néven ismert vékony egykristályos anyag növesztési technikát. De hogyan segítette az epitaxiális technológia az anyagok fejlődését? A szilícium esetében a szilícium epitaxia kifejlesztése olyan kritikus időszakban történt, amikor a nagyfrekvenciás, nagy teljesítményű szilícium tranzisztorok gyártása jelentős nehézségekbe ütközött. A tranzisztor elvek szempontjából a nagy frekvencia és teljesítmény elérése megköveteli, hogy a kollektor régió áttörési feszültsége magas, a soros ellenállás alacsony legyen, vagyis a telítési feszültség kicsi legyen. Az előbbi nagy ellenállást igényel a kollektor anyagában, míg az utóbbi alacsony ellenállást igényel, ami ellentmondást okoz. A kollektor tartomány vastagságának csökkentése a soros ellenállás csökkentése érdekében a szilícium lapkát túl vékonyra és törékennyé tenné a feldolgozáshoz, az ellenállás csökkentése pedig ütközne az első követelménybe. Az epitaxiális technológia fejlesztése sikeresen megoldotta ezt a problémát. A megoldás az volt, hogy nagy ellenállású epitaxiális réteget növesztettek egy kis ellenállású hordozón. Az eszköz az epitaxiális rétegre készül, biztosítva a tranzisztor nagy áttörési feszültségét, míg az alacsony ellenállású hordozó csökkenti az alapellenállást és csökkenti a telítési feszültséget, feloldva a két követelmény közötti ellentmondást.

Ezenkívül a III-V és II-VI összetett félvezetők, például a GaAs, GaN és mások epitaxiális technológiái, beleértve a gőzfázisú és folyadékfázisú epitaxiát, jelentős előrelépéseket értek el. Ezek a technológiák elengedhetetlenek számos mikrohullámú, optoelektronikai és nagy teljesítményű eszköz gyártásához. Különösen az olyan technikákat, mint a molekuláris nyaláb epitaxia (MBE) és a fém-organikus kémiai gőzleválasztás (MOCVD) alkalmazták sikeresen vékony rétegeken, szuperrácsokon, kvantumkutakon, feszült szuperrácsokon és atomi léptékű vékony epitaxiális rétegeken, szilárd alapot teremtve új félvezető területek fejlesztése, mint például a „sávtechnika”.

A gyakorlati alkalmazásokban a legtöbb széles sávú félvezető eszközt epitaxiális rétegekre gyártják, és olyan anyagokat használnak, mint a szilícium-karbid (SiC) kizárólag hordozóként. Ezért az epitaxiális réteg szabályozása kritikus tényező a széles sávú félvezetőiparban.

Epitaxiás technológia: Hét fő jellemző

1. Az Epitaxy képes nagy (vagy alacsony) ellenállású réteget növeszteni alacsony (vagy nagy) ellenállású hordozón.

2. Az epitaxia lehetővé teszi az N (vagy P) típusú epitaxiális rétegek növekedését P (vagy N) típusú hordozókon, közvetlenül PN átmenetet képezve anélkül, hogy kompenzációs problémák merülnének fel, amikor diffúziót használnak PN csomópont létrehozására egykristályos hordozón.

3. A maszkos technológiával kombinálva meghatározott területeken szelektív epitaxiális növekedés végezhető, ami lehetővé teszi integrált áramkörök és speciális szerkezetű eszközök gyártását.

4. Az epitaxiális növekedés lehetővé teszi a doppingtípusok és koncentrációk szabályozását, a koncentráció hirtelen vagy fokozatos megváltoztatásának lehetőségével.

5. Az Epitaxy heterogén, többrétegű, többkomponensű, változó összetételű vegyületeket növeszthet, beleértve az ultravékony rétegeket is.

6. Az epitaxiális növekedés az anyag olvadáspontja alatti hőmérsékleten következhet be, szabályozható növekedési sebesség mellett, ami lehetővé teszi a rétegvastagság atomi szintű pontosságát.

7. Az epitaxia lehetővé teszi olyan anyagok egykristályos rétegeinek növekedését, amelyeket nem lehet kristályokká húzni, mint például a GaN és a hármas/kvaterner összetett félvezetők.

Különféle epitaxiális rétegek és epitaxiális folyamatok

Összefoglalva, az epitaxiális rétegek könnyebben szabályozható és tökéletes kristályszerkezetet kínálnak, mint az ömlesztett szubsztrátumok, ami előnyös a fejlett anyagok fejlesztéséhez.