Waarom halfgeleiderapparaten een ‘epitaxiale laag’ vereisen

Oorsprong van de naam “Epitaxiale Wafer”

De wafelvoorbereiding bestaat uit twee hoofdstappen: substraatvoorbereiding en epitaxiaal proces. Het substraat is gemaakt van halfgeleider-monokristalmateriaal en wordt doorgaans verwerkt om halfgeleiderapparaten te produceren. Het kan ook een epitaxiale bewerking ondergaan om een ​​epitaxiale wafel te vormen. Epitaxie verwijst naar het proces waarbij een nieuwe monokristallijne laag op een zorgvuldig verwerkt monokristallijn substraat groeit. Het nieuwe monokristal kan van hetzelfde materiaal zijn als het substraat (homogene epitaxie) of van een ander materiaal (heterogene epitaxie). Omdat de nieuwe kristallaag groeit in lijn met de kristaloriëntatie van het substraat, wordt deze een epitaxiale laag genoemd. De wafel met de epitaxiale laag wordt een epitaxiale wafel genoemd (epitaxiale wafel = epitaxiale laag + substraat). Apparaten die op de epitaxiale laag zijn gefabriceerd, worden 'voorwaartse epitaxie' genoemd, terwijl apparaten die op het substraat zijn gefabriceerd 'omgekeerde epitaxie' worden genoemd, waarbij de epitaxiale laag alleen als ondersteuning dient.

Homogene en heterogene epitaxie

▪Homogene epitaxie:De epitaxiale laag en het substraat zijn gemaakt van hetzelfde materiaal: bijvoorbeeld Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Heterogene epitaxie:De epitaxiale laag en het substraat zijn gemaakt van verschillende materialen: bijvoorbeeld Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC, enz.

Gepolijste wafels

Welke problemen lost epitaxie op?

Bulk-monokristalmaterialen alleen zijn onvoldoende om te voldoen aan de steeds complexere eisen van de fabricage van halfgeleiderapparaten. Daarom werd eind 1959 de dunne monokristallijne materiaalgroeitechniek ontwikkeld, bekend als epitaxie. Maar hoe heeft epitaxiale technologie specifiek bijgedragen aan de vooruitgang van materialen? Voor silicium vond de ontwikkeling van siliciumepitaxie plaats op een kritiek moment toen de fabricage van hoogfrequente siliciumtransistors met hoog vermogen met aanzienlijke problemen te maken kreeg. Vanuit het perspectief van de transistorprincipes vereist het bereiken van een hoge frequentie en vermogen dat de doorslagspanning van het collectorgebied hoog is en dat de serieweerstand laag is, wat betekent dat de verzadigingsspanning klein moet zijn. De eerste vereist een hoge soortelijke weerstand in het collectormateriaal, terwijl de laatste een lage soortelijke weerstand vereist, wat een tegenstrijdigheid creëert. Het verminderen van de dikte van het collectorgebied om de serieweerstand te verminderen zou de siliciumwafel te dun en kwetsbaar maken voor verwerking, en het verlagen van de soortelijke weerstand zou in strijd zijn met de eerste vereiste. De ontwikkeling van epitaxiale technologie heeft dit probleem met succes opgelost. De oplossing was om een ​​epitaxiale laag met hoge weerstand te laten groeien op een substraat met lage weerstand. Het apparaat is op de epitaxiale laag gefabriceerd, waardoor de hoge doorslagspanning van de transistor wordt gegarandeerd, terwijl het substraat met lage weerstand de basisweerstand vermindert en de verzadigingsspanning verlaagt, waardoor de tegenstrijdigheid tussen de twee vereisten wordt opgelost.

Bovendien hebben epitaxiale technologieën voor III-V- en II-VI-samengestelde halfgeleiders zoals GaAs, GaN en andere, waaronder dampfase- en vloeistoffase-epitaxie, aanzienlijke vooruitgang geboekt. Deze technologieën zijn essentieel geworden voor de fabricage van veel microgolf-, opto-elektronische en elektrische apparaten. In het bijzonder zijn technieken als moleculaire bundelepitaxie (MBE) en metaalorganische chemische dampdepositie (MOCVD) met succes toegepast op dunne lagen, superroosters, kwantumputten, gespannen superroosters en dunne epitaxiale lagen op atomaire schaal, waardoor een solide basis wordt gelegd voor de ontwikkeling van nieuwe halfgeleidervelden zoals ‘bandtechniek’.

In praktische toepassingen worden de meeste halfgeleiderapparaten met een brede bandafstand vervaardigd op epitaxiale lagen, waarbij materialen zoals siliciumcarbide (SiC) uitsluitend als substraten worden gebruikt. Daarom is het beheersen van de epitaxiale laag een kritische factor in de halfgeleiderindustrie met grote bandafstand.

Epitaxietechnologie: zeven belangrijke kenmerken

1. Epitaxie kan een laag met hoge (of lage) weerstand laten groeien op een substraat met lage (of hoge) weerstand.

2. Epitaxie maakt de groei mogelijk van N (of P)-type epitaxiale lagen op P (of N)-type substraten, waardoor direct een PN-overgang wordt gevormd zonder de compensatieproblemen die optreden bij het gebruik van diffusie om een ​​PN-overgang op een monokristallijn substraat te creëren.

3. In combinatie met maskertechnologie kan in specifieke gebieden selectieve epitaxiale groei worden uitgevoerd, waardoor de fabricage van geïntegreerde schakelingen en apparaten met speciale structuren mogelijk wordt.

4. Epitaxiale groei maakt controle van dopingtypes en -concentraties mogelijk, met de mogelijkheid om abrupte of geleidelijke concentratieveranderingen te bewerkstelligen.

5. Epitaxie kan heterogene, meerlaagse, uit meerdere componenten bestaande verbindingen met variabele samenstellingen laten groeien, inclusief ultradunne lagen.

6. Epitaxiale groei kan plaatsvinden bij temperaturen onder het smeltpunt van het materiaal, met een controleerbare groeisnelheid, waardoor nauwkeurigheid op atomair niveau in laagdikte mogelijk is.

7. Epitaxie maakt de groei mogelijk van eenkristallagen van materialen die niet in kristallen kunnen worden getrokken, zoals GaN en ternaire/quaternaire samengestelde halfgeleiders.

Verschillende epitaxiale lagen en epitaxiale processen

Samenvattend bieden epitaxiale lagen een gemakkelijker gecontroleerde en perfecte kristalstructuur dan bulksubstraten, wat gunstig is voor de ontwikkeling van geavanceerde materialen.