Perché i dispositivi a semiconduttore necessitano di uno strato epitassiale?

Alcune notizie indicano che un'azienda high-tech in un determinato paese ha sviluppato un nuovo tipo di materiale di substrato che si adatta al reticolo del GaN e può far crescere bene il GaN. (Nota: è molto difficile da preparareCristalli singoli sfusi di GaN, quindi il GaN qui menzionato è uno strato epitassiale e rivela uno dei significati dell'esistenza degli strati epitassiali. Allora perché c'è differenza tra il substrato e lo strato epitassiale? Qual è il significato dell'esistenza dello strato epitassiale?

L'origine del wafer epitassiale

La preparazione del wafer comprende due collegamenti principali: preparazione del substrato e processo epitassiale. Il substrato è un wafer costituito da materiali semiconduttori monocristallini. Il substrato può entrare direttamente nel processo di produzione dei wafer per produrre dispositivi a semiconduttore; inoltre può essere lavorato mediante lavorazione epitassiale per produrre wafer epitassiali. L'epitassia si riferisce al processo di crescita di un nuovo cristallo singolo su un substrato monocristallino che è stato accuratamente lavorato mediante taglio, molatura, lucidatura, ecc.

Il materiale del nuovo cristallo singolo e il substrato possono essere uguali o diversi (epitassia omogenea o epitassia eterogenea). Poiché il nuovo strato monocristallino cresce in base alla fase cristallina del substrato, viene chiamato strato epitassiale (lo spessore è solitamente di pochi micron, prendendo come esempio il silicio: il significato della crescita epitassiale del silicio è su un substrato di silicio monocristallino con un certo orientamento dei cristalli. Crescere uno strato di cristalli con lo stesso orientamento dei cristalli e diverso spessore della struttura del reticolo cristallino e buona integrità), e il substrato con lo strato epitassiale è chiamato wafer epitassiale (wafer epitassiale = strato epitassiale + substrato) . Il dispositivo realizzato sullo strato epitassiale è un'epitassia positiva. Se il dispositivo è realizzato sul substrato, viene chiamato epitassiale inverso e lo strato epitassiale svolge solo un ruolo di supporto.

Epitassia omogenea ed epitassia eterogenea

Quale problema risolve lo strato epitassiale?

Problema:

I materiali monocristallini sfusi sono difficili da soddisfare le crescenti esigenze di vari dispositivi a semiconduttore. Pertanto, accelera lo sviluppo della crescita epitassiale del materiale monocristallino a strato sottile. Quali effetti ha quindi la tecnologia epitassiale sul progresso dei materiali?

Per il silicio, quando è iniziata la tecnologia di crescita epitassiale del silicio, era davvero un momento in cui i transistor in silicio ad alta frequenza e ad alta potenza erano difficili da produrre. Dal punto di vista del principio dei transistor, per ottenere alta frequenza ed elevata potenza, la tensione di rottura dell'area del collettore deve essere elevata; la resistenza in serie deve essere piccola. Cioè, la caduta di pressione di saturazione dovrebbe essere piccola. Il primo richiede un'elevata resistività elettrica dei materiali nell'area del collettore, mentre il secondo richiede una bassa resistività elettrica dei materiali. I due si contraddicono. Ridurre lo spessore del materiale dell'area del collettore farà diminuire la resistenza in serie, ma il wafer di silicio sarà troppo sottile e fragile per essere lavorato. Ridurre la resistività del materiale contraddirà il primo requisito. Quindi lo sviluppo della tecnologia epitassiale risolve con successo questa difficoltà.

Soluzione con processo epitassiale:

Far crescere uno strato epitassiale ad alta resistività su un substrato con resistenza estremamente bassa e fabbricare il dispositivo sullo strato epitassiale, in modo che lo strato epitassiale ad alta resistività garantisca un'elevata tensione di rottura nel tubo, mentre il substrato a bassa resistenza riduce la resistenza del substrato, riducendo la caduta di tensione di saturazione. In tal modo la contraddizione tra i due è risolta.

Inoltre, l'epitassia in fase gassosa, l'epitassia in fase liquida e altre tecnologie epitassia di GaAs e altri materiali semiconduttori composti molecolari come III-V, II-VI e altri materiali semiconduttori composti molecolari sono stati notevolmente sviluppati e sono diventati un processo indispensabile tecnologia per la maggior parte dei dispositivi a microonde, dispositivi optoelettronici, dispositivi di potenza, ecc., in particolare epitassia in fase vapore metallo-organica e con fasci molecolari in strati sottili, superreticoli, pozzi quantici, superreticoli deformati e film sottili a livello atomico.

Nelle applicazioni, quasi tutti i dispositivi a semiconduttore ad ampio gap di banda sono realizzati sullo strato epitassiale e il wafer di carburo di silicio stesso funge solo da substrato. Inoltre, il controllo dello strato epitassiale è una parte importante dell'industria dei semiconduttori ad ampio gap di banda.

7 Competenze della Tecnologia epitassiale

1. Uno strato epitassiale ad alta (bassa) resistenza può essere cresciuto epitassialmente su un substrato a bassa (alta) resistenza.
2. Uno strato epitassiale di tipo N(P) può essere cresciuto epitassialmente su un substrato di tipo P(N) per formare direttamente una giunzione PN. Non vi è alcun problema di compensazione quando si realizza una giunzione PN su un substrato a cristallo singolo mediante un metodo di diffusione.
3. In combinazione con la tecnologia della maschera, la crescita epitassiale viene effettuata nell'area designata, creando le condizioni per la produzione di circuiti integrati e dispositivi con strutture speciali.
4. Il tipo e la concentrazione del drogaggio possono essere modificati secondo necessità durante il processo di crescita epitassiale. Il cambiamento di concentrazione può essere brusco o lento.
5. Può sviluppare composti eterogenei, multistrato, multicomponenti e strati ultrasottili con composizione variabile.
6. La crescita epitassiale può essere effettuata a una temperatura inferiore al punto di fusione del materiale, la velocità di crescita è controllabile e può essere realizzata la crescita epitassiale dello spessore su scala atomica.
7. È possibile coltivare materiali monocristallini che non possono essere trafilati, come ad esempioWafer di GaN, strati monocristallini di composti tri- o quaternari, ecc.

Strati epitassiali e processi epitassiali

In una parola, è più facile ottenere una struttura cristallina perfetta e controllabile dallo strato epitassiale rispetto al substrato, che è più favorevole all'applicazione e allo sviluppo del materiale.

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