Жартылай өткізгіш құрылғылар неге «эпитаксиалды қабатты» қажет етеді

«Эпитаксиальды вафли» атауының шығу тегі

Вафельді дайындау екі негізгі кезеңнен тұрады: субстратты дайындау және эпитаксиалды процесс. Субстрат жартылай өткізгіш монокристалды материалдан жасалған және әдетте жартылай өткізгіш құрылғыларды шығару үшін өңделеді. Ол сондай-ақ эпитаксиалды пластинаны қалыптастыру үшін эпитаксиалды өңдеуден өтуі мүмкін. Эпитаксия мұқият өңделген монокристалды субстратта жаңа монокристалды қабатты өсіру процесін білдіреді. Жаңа монокристалл субстратпен бірдей материалдан (біртекті эпитаксия) немесе басқа материалдан (гетерогенді эпитаксия) болуы мүмкін. Жаңа кристалдық қабат субстраттың кристалдық бағытына сәйкес өсетіндіктен, оны эпитаксиалды қабат деп атайды. Эпитаксиалды қабаты бар пластинаны эпитаксиалды пластинка деп атайды (эпитаксиалды пластинка = эпитаксиалды қабат + субстрат). Эпитаксиалды қабатта жасалған құрылғылар «алға эпитаксия» деп аталады, ал субстратта жасалған құрылғылар «кері эпитаксия» деп аталады, мұнда эпитаксиалды қабат тек тіреуіш ретінде қызмет етеді.

Біртекті және гетерогенді эпитаксия

▪Біртекті эпитаксия:Эпитаксиалды қабат пен субстрат бір материалдан жасалған: мысалы, Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Гетерогенді эпитаксия:Эпитаксиалды қабат пен субстрат әртүрлі материалдардан жасалған: мысалы, Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC және т.б.

Жылтыратылған вафли

Эпитаксия қандай мәселелерді шешеді?

Жалғыз көлемді монокристалды материалдар жартылай өткізгіш құрылғыларды жасаудың барған сайын күрделі талаптарын қанағаттандыру үшін жеткіліксіз. Сондықтан 1959 жылдың аяғында эпитаксия деп аталатын жұқа монокристалды материалды өсіру әдісі жасалды. Бірақ эпитаксиалды технология материалдардың алға жылжуына қалай көмектесті? Кремний үшін кремний эпитаксисінің дамуы жоғары жиілікті, жоғары қуатты кремний транзисторларын жасау елеулі қиындықтарға тап болған қиын кезеңде орын алды. Транзисторлық принциптер тұрғысынан жоғары жиілік пен қуатқа қол жеткізу коллектор аймағының бұзылу кернеуінің жоғары болуын, ал сериялық кедергінің төмен болуын талап етеді, яғни қанықтыру кернеуі аз болуы керек. Біріншісі коллекторлық материалда жоғары кедергіні қажет етеді, ал екіншісі төмен қарсылықты қажет етеді, бұл қарама-қайшылықты тудырады. Тізбекті кедергіні азайту үшін коллектор аймағының қалыңдығын азайту кремний пластинасын өңдеу үшін тым жұқа және нәзік етеді, ал меншікті кедергіні төмендету бірінші талапқа қайшы келеді. Эпитаксиалды технологияның дамуы бұл мәселені сәтті шешті. Шешім кедергісі төмен субстратта жоғары кедергісі бар эпитаксиалды қабатты өсіру болды. Құрылғы транзистордың жоғары бұзылу кернеуін қамтамасыз ете отырып, эпитаксиалды қабатта жасалған, ал төмен кедергісі бар субстрат базалық кедергіні азайтады және қанықтыру кернеуін төмендетеді, екі талап арасындағы қайшылықты шешеді.

Сонымен қатар, GaAs, GaN және басқалары сияқты III-V және II-VI қосылыс жартылай өткізгіштерге арналған эпитаксиалды технологиялар, соның ішінде бу фазасы мен сұйық фаза эпитаксисі айтарлықтай жетістіктерге қол жеткізді. Бұл технологиялар көптеген микротолқынды пештерді, оптоэлектронды және қуатты құрылғыларды жасау үшін маңызды болды. Атап айтқанда, молекулалық сәулелік эпитаксия (MBE) және металл-органикалық химиялық буларды тұндыру (MOCVD) сияқты әдістер жұқа қабаттарға, суперторларға, кванттық ұңғымаларға, деформацияланған суперторларға және атомдық масштабтағы жұқа эпитаксиалды қабаттарға сәтті қолданылды, бұл үшін берік негіз қалады. «жолақты инженерия» сияқты жаңа жартылай өткізгіш өрістерді дамыту.

Практикалық қолданбаларда кең жолақты жартылай өткізгіш құрылғылардың көпшілігі эпитаксиалды қабаттарда жасалады, кремний карбиді (SiC) тек субстраттар ретінде пайдаланылады. Сондықтан эпитаксиалды қабатты басқару кең жолақты жартылай өткізгіштер өнеркәсібінде маңызды фактор болып табылады.

Эпитаксия технологиясы: Жеті негізгі мүмкіндік

1. Эпитаксия төмен (немесе жоғары) кедергісі бар субстратта жоғары (немесе төмен) кедергі қабатын өсіре алады.

2. Эпитаксия P (немесе N) типті субстраттарда N (немесе P) типті эпитаксиалды қабаттардың өсуіне мүмкіндік береді, бір кристалды субстратта PN түйісуін жасау үшін диффузияны пайдалану кезінде туындайтын өтемақы мәселелерінсіз тікелей PN түйісуін құрайды.

3. Маска технологиясымен үйлескенде, интегралды схемалар мен арнайы құрылымдары бар құрылғыларды жасауға мүмкіндік беретін арнайы аймақтарда селективті эпитаксиалды өсуді орындауға болады.

4. Эпитаксиалды өсу концентрацияның күрт немесе біртіндеп өзгеруіне қол жеткізу мүмкіндігімен допинг түрлері мен концентрацияларын бақылауға мүмкіндік береді.

5. Эпитаксия гетерогенді, көпқабатты, құрамы өзгермелі көп компонентті қосылыстарды, соның ішінде ультра жұқа қабаттарды өсіре алады.

6. Эпитаксиалды өсу материалдың балқу температурасынан төмен температурада, бақыланатын өсу жылдамдығымен, қабат қалыңдығында атомдық деңгейдегі дәлдікке мүмкіндік береді.

7. Эпитаксия GaN және үштік/төрттік қосылыс жартылай өткізгіштер сияқты кристалдарға тартылмайтын материалдардың монокристалды қабаттарының өсуіне мүмкіндік береді.

Әртүрлі эпитаксиалды қабаттар және эпитаксиалды процестер

Қорытындылай келе, эпитаксиалды қабаттар көлемді субстраттарға қарағанда оңай басқарылатын және мінсіз кристалдық құрылымды ұсынады, бұл озық материалдарды әзірлеу үшін тиімді.