Yarımkeçirici cihazlar niyə "epitaksial təbəqə" tələb edir

"Epitaxial Gofret" adının mənşəyi

Gofretin hazırlanması iki əsas mərhələdən ibarətdir: substratın hazırlanması və epitaksial proses. Substrat yarımkeçirici monokristal materialdan hazırlanır və adətən yarımkeçirici cihazları istehsal etmək üçün işlənir. O, həmçinin epitaksial vafli yaratmaq üçün epitaksial emaldan keçə bilər. Epitaksiya diqqətlə işlənmiş monokristal substratda yeni tək kristal təbəqənin yetişdirilməsi prosesinə aiddir. Yeni monokristal substratla eyni materialdan (homogen epitaksiya) və ya fərqli materialdan (heterojen epitaksiya) ola bilər. Yeni kristal təbəqə substratın kristal oriyentasiyasına uyğun olaraq böyüdüyü üçün ona epitaksial təbəqə deyilir. Epitaksial təbəqəsi olan vafli epitaksial vafli adlanır (epitaksial vafli = epitaksial təbəqə + substrat). Epitaksial təbəqədə hazırlanmış cihazlara "irəli epitaksiya", substratda hazırlanmış cihazlara isə "əks epitaksiya" deyilir, burada epitaksial təbəqə yalnız dəstək rolunu oynayır.

Homojen və Heterojen Epitaksiya

▪Homojen epitaksiya:Epitaksial təbəqə və substrat eyni materialdan hazırlanır: məsələn, Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Heterojen epitaksiya:Epitaksial təbəqə və substrat müxtəlif materiallardan hazırlanır: məsələn, Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC və s.

Cilalanmış vaflilər

Epitaksiya hansı problemləri həll edir?

Tək kristal materiallar yarımkeçirici qurğuların istehsalının getdikcə mürəkkəbləşən tələblərini ödəmək üçün kifayət deyil. Buna görə də, 1959-cu ilin sonlarında epitaksiya kimi tanınan nazik monokristal materialın böyüməsi texnikası hazırlanmışdır. Bəs epitaksial texnologiya materialların inkişafına xüsusi olaraq necə kömək etdi? Silikon üçün silikon epitaksiyasının inkişafı yüksək tezlikli, yüksək güclü silikon tranzistorların istehsalının əhəmiyyətli çətinliklərlə üzləşdiyi kritik bir zamanda baş verdi. Tranzistor prinsipləri baxımından yüksək tezlik və gücə nail olmaq üçün kollektor bölgəsinin parçalanma gərginliyi yüksək, sıra müqaviməti isə aşağı olmalıdır, yəni doyma gərginliyi kiçik olmalıdır. Birincisi kollektor materialında yüksək müqavimət tələb edir, ikincisi isə aşağı müqavimət tələb edir ki, bu da ziddiyyət yaradır. Seriya müqavimətini azaltmaq üçün kollektor bölgəsinin qalınlığının azaldılması silikon vafli emal üçün çox nazik və kövrək edər və müqavimətin aşağı salınması birinci tələblə ziddiyyət təşkil edər. Epitaksial texnologiyanın inkişafı bu problemi uğurla həll etdi. Həll aşağı müqavimətli substratda yüksək müqavimətli epitaksial təbəqənin böyüməsi idi. Cihaz tranzistorun yüksək qırılma gərginliyini təmin edən epitaksial təbəqə üzərində hazırlanır, aşağı müqavimətli substrat isə əsas müqaviməti azaldır və doyma gərginliyini azaldır, iki tələb arasındakı ziddiyyəti həll edir.

Bundan əlavə, GaAs, GaN və başqaları kimi III-V və II-VI mürəkkəb yarımkeçiricilər üçün epitaksial texnologiyalar, o cümlədən buxar fazası və maye faza epitaksiyasında əhəmiyyətli irəliləyişlər müşahidə edilmişdir. Bu texnologiyalar bir çox mikrodalğalı, optoelektronik və güc qurğularının istehsalı üçün vacib hala gəldi. Xüsusilə, molekulyar şüa epitaksisi (MBE) və metal-üzvi kimyəvi buxar çökdürmə (MOCVD) kimi üsullar incə təbəqələrə, super şəbəkələrə, kvant quyularına, gərginləşdirilmiş super şəbəkələrə və atom miqyaslı nazik epitaksial təbəqələrə uğurla tətbiq olunur və bu, üçün möhkəm təməl qoyulur. "zolaq mühəndisliyi" kimi yeni yarımkeçirici sahələrin inkişafı.

Praktik tətbiqlərdə geniş diapazonlu yarımkeçirici cihazların əksəriyyəti epitaksial təbəqələrdə hazırlanır, silisium karbid (SiC) kimi materiallar yalnız substrat kimi istifadə olunur. Buna görə də, epitaksial təbəqəyə nəzarət geniş diapazonlu yarımkeçirici sənayesində mühüm amildir.

Epitaksiya Texnologiyası: Yeddi Əsas Xüsusiyyət

1. Epitaksiya aşağı (və ya yüksək) müqavimətli substratda yüksək (və ya aşağı) müqavimət qatını inkişaf etdirə bilər.

2. Epitaksiya P (və ya N) tipli substratlarda N (və ya P) tipli epitaksial təbəqələrin böyüməsinə imkan verir, bir kristal substratda PN qovşağı yaratmaq üçün diffuziyadan istifadə edərkən yaranan kompensasiya məsələləri olmadan birbaşa PN qovşağı təşkil edir.

3. Maska texnologiyası ilə birləşdirildikdə, seçmə epitaksial artım xüsusi sahələrdə həyata keçirilə bilər ki, bu da inteqral sxemlərin və xüsusi strukturları olan cihazların istehsalına imkan verir.

4. Epitaksial artım konsentrasiyada kəskin və ya tədricən dəyişikliklərə nail olmaq imkanı ilə dopinq növləri və konsentrasiyalarına nəzarət etməyə imkan verir.

5. Epitaksiya, ultra nazik təbəqələr də daxil olmaqla, dəyişkən tərkibli heterojen, çox qatlı, çoxkomponentli birləşmələri inkişaf etdirə bilər.

6. Epitaksial artım materialın ərimə nöqtəsindən aşağı temperaturda, idarə olunan böyümə sürəti ilə baş verə bilər, təbəqə qalınlığında atom səviyyəsində dəqiqliyə imkan verir.

7. Epitaksiya GaN və üçlü/dördüncü mürəkkəb yarımkeçiricilər kimi kristallara çəkilə bilməyən materialların monokristal təbəqələrinin böyüməsini təmin edir.

Müxtəlif epitaksial təbəqələr və epitaksial proseslər

Xülasə, epitaksial təbəqələr toplu substratlardan daha asan idarə olunan və mükəmməl kristal quruluş təklif edir ki, bu da qabaqcıl materialların inkişafı üçün faydalıdır.