Pse pajisjet gjysmëpërçuese kërkojnë një "shtresë epitaksiale"

Origjina e emrit "Meshë epitaksiale"

Përgatitja e meshës përbëhet nga dy hapa kryesorë: përgatitja e substratit dhe procesi epitaksial. Nënshtresa është bërë nga një material gjysmëpërçues me një kristal dhe zakonisht përpunohet për të prodhuar pajisje gjysmëpërçuese. Ai gjithashtu mund t'i nënshtrohet përpunimit epitaksial për të formuar një vafer epitaksiale. Epitaksi i referohet procesit të rritjes së një shtrese të re me një kristal në një nënshtresë me një kristal të përpunuar me kujdes. Kristali i ri i vetëm mund të jetë nga i njëjti material si nënshtresa (epitaksi homogjene) ose një material i ndryshëm (epitaksi heterogjene). Meqenëse shtresa e re kristalore rritet në përputhje me orientimin kristal të nënshtresës, ajo quhet një shtresë epitaksiale. Vafera me shtresën epitaksiale quhet meshë epitaksiale (vafer epitaksiale = shtresë epitaksiale + substrate). Pajisjet e fabrikuara në shtresën epitaksiale quhen "epitaksia e përparme", ndërsa pajisjet e fabrikuara në nënshtresë quhen "epitaksi e kundërt", ku shtresa epitaksiale shërben vetëm si mbështetje.

Epitaksi homogjene dhe heterogjene

▪Epitaksi homogjene:Shtresa epitaksiale dhe nënshtresa janë bërë nga i njëjti material: p.sh., Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Epitaksi heterogjene:Shtresa dhe nënshtresa epitaksiale janë bërë nga materiale të ndryshme: p.sh., Si/Al2O3, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC, etj.

Vafera të lëmuara

Çfarë problemesh zgjidh epitaksi?

Vetëm materialet me një kristal të madh janë të pamjaftueshëm për të përmbushur kërkesat gjithnjë e më komplekse të prodhimit të pajisjeve gjysmëpërçuese. Prandaj, në fund të vitit 1959, u zhvillua teknika e rritjes së materialit të hollë me një kristal të njohur si epitaksi. Por si e ndihmoi veçanërisht teknologjia epitaksiale avancimin e materialeve? Për silikonin, zhvillimi i epitaksisë së silikonit ndodhi në një kohë kritike kur fabrikimi i transistorëve të silikonit me frekuencë të lartë dhe fuqi të lartë u përball me vështirësi të konsiderueshme. Nga këndvështrimi i parimeve të transistorit, arritja e frekuencës dhe fuqisë së lartë kërkon që voltazhi i prishjes së rajonit të kolektorit të jetë i lartë dhe rezistenca e serisë të jetë e ulët, që do të thotë se tensioni i ngopjes duhet të jetë i vogël. E para kërkon rezistencë të lartë në materialin e kolektorit, ndërsa e dyta kërkon rezistencë të ulët, gjë që krijon një kontradiktë. Zvogëlimi i trashësisë së zonës së kolektorit për të zvogëluar rezistencën e serisë do ta bënte vaferën e silikonit shumë të hollë dhe të brishtë për përpunim, dhe ulja e rezistencës do të binte ndesh me kërkesën e parë. Zhvillimi i teknologjisë epitaksiale e zgjidhi me sukses këtë çështje. Zgjidhja ishte rritja e një shtrese epitaksiale me rezistencë të lartë në një substrat me rezistencë të ulët. Pajisja është fabrikuar në shtresën epitaksiale, duke siguruar tensionin e lartë të prishjes së tranzistorit, ndërsa nënshtresa me rezistencë të ulët zvogëlon rezistencën e bazës dhe ul tensionin e ngopjes, duke zgjidhur kontradiktën midis dy kërkesave.

Për më tepër, teknologjitë epitaksiale për gjysmëpërçuesit e përbërë III-V dhe II-VI si GaAs, GaN dhe të tjerë, duke përfshirë fazën e avullit dhe epitaksinë e fazës së lëngshme, kanë parë përparime të rëndësishme. Këto teknologji janë bërë thelbësore për prodhimin e shumë pajisjeve me mikrovalë, optoelektronike dhe energjitike. Në veçanti, teknikat si epitaksia me rreze molekulare (MBE) dhe depozitimi kimik i avullit metal-organik (MOCVD) janë aplikuar me sukses në shtresat e holla, superrrjetat, puset kuantike, superrrjetat e tendosura dhe shtresat e holla epitaksiale në shkallë atomike, duke hedhur një themel të fortë për zhvillimi i fushave të reja gjysmëpërçuese si "inxhinieria e brezit".

Në aplikimet praktike, shumica e pajisjeve gjysmëpërçuese me brez të gjerë fabrikohen në shtresa epitaksiale, me materiale si karbidi i silikonit (SiC) që përdoren vetëm si nënshtresa. Prandaj, kontrolli i shtresës epitaksiale është një faktor kritik në industrinë e gjysmëpërçuesve me brez të gjerë.

Teknologjia e epitaksisë: Shtatë tipare kryesore

1. Epitaksi mund të rritet një shtresë me rezistencë të lartë (ose të ulët) në një substrat me rezistencë të ulët (ose të lartë).

2. Epitaksia lejon rritjen e shtresave epitaksiale të tipit N (ose P) në nënshtresat e tipit P (ose N), duke formuar drejtpërdrejt një kryqëzim PN pa problemet e kompensimit që lindin kur përdoret difuzioni për të krijuar një kryqëzim PN në një nënshtresë të vetme kristali.

3. Kur kombinohet me teknologjinë e maskave, rritja selektive epitaksiale mund të kryhet në zona specifike, duke mundësuar fabrikimin e qarqeve të integruara dhe pajisjeve me struktura të veçanta.

4. Rritja epitaksiale lejon kontrollin e llojeve dhe përqendrimeve të dopingut, me aftësinë për të arritur ndryshime të papritura ose graduale në përqendrim.

5. Epitaksi mund të rritet komponime heterogjene, me shumë shtresa, me shumë përbërës me përbërje të ndryshueshme, duke përfshirë shtresa ultra të holla.

6. Rritja epitaksiale mund të ndodhë në temperatura nën pikën e shkrirjes së materialit, me një normë rritjeje të kontrollueshme, duke lejuar saktësi të nivelit atomik në trashësinë e shtresës.

7. Epitaksi mundëson rritjen e shtresave njëkristalore të materialeve që nuk mund të tërhiqen në kristale, si GaN dhe gjysmëpërçuesit me përbërje treshe/kuaternare.

Shtresa të ndryshme epitaksiale dhe procese epitaksiale

Si përmbledhje, shtresat epitaksiale ofrojnë një strukturë kristalore më të kontrollueshme dhe më të përsosur sesa nënshtresat me shumicë, gjë që është e dobishme për zhvillimin e materialeve të avancuara.