Tại sao các thiết bị bán dẫn yêu cầu “Lớp epiticular”

Nguồn gốc cái tên “Epiticular Wafer”

Quá trình chuẩn bị wafer bao gồm hai bước chính: chuẩn bị chất nền và quá trình epiticular. Chất nền được làm bằng vật liệu đơn tinh thể bán dẫn và thường được xử lý để sản xuất các thiết bị bán dẫn. Nó cũng có thể trải qua quá trình xử lý epiticular để tạo thành một tấm wafer epiticular. Epitaxy đề cập đến quá trình phát triển một lớp tinh thể đơn mới trên chất nền đơn tinh thể được xử lý cẩn thận. Tinh thể đơn mới có thể có cùng chất liệu với chất nền (epitaxy đồng nhất) hoặc vật liệu khác (epitaxy không đồng nhất). Vì lớp tinh thể mới phát triển thẳng hàng với hướng tinh thể của chất nền nên nó được gọi là lớp epiticular. Tấm wafer có lớp epiticular được gọi là wafer epiticular (wafer epiticular = lớp epiticular + chất nền). Các thiết bị được chế tạo trên lớp epiticular được gọi là “eptaxy chuyển tiếp”, trong khi các thiết bị được chế tạo trên chất nền được gọi là “eptaxy ngược”, trong đó lớp epiticular chỉ đóng vai trò hỗ trợ.

Epitaxy đồng nhất và không đồng nhất

▪Epitaxy đồng nhất:Lớp epiticular và chất nền được làm từ cùng một vật liệu: ví dụ: Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Epitaxy không đồng nhất:Lớp epiticular và chất nền được làm từ các vật liệu khác nhau: ví dụ: Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC, v.v.

Tấm đánh bóng

Epitaxy giải quyết được những vấn đề gì?

Chỉ riêng vật liệu đơn tinh thể số lượng lớn là không đủ để đáp ứng nhu cầu ngày càng phức tạp của việc chế tạo thiết bị bán dẫn. Vì vậy, vào cuối năm 1959, kỹ thuật tăng trưởng vật liệu đơn tinh thể mỏng được gọi là epitaxy đã được phát triển. Nhưng công nghệ epiticular đặc biệt giúp ích cho sự tiến bộ của vật liệu như thế nào? Đối với silicon, sự phát triển của epit Wax silicon xảy ra vào thời điểm quan trọng khi việc chế tạo các bóng bán dẫn silicon công suất cao, tần số cao gặp phải những khó khăn đáng kể. Từ góc độ nguyên lý bóng bán dẫn, để đạt được tần số và công suất cao đòi hỏi điện áp đánh thủng của vùng cực thu phải cao và điện trở nối tiếp thấp, nghĩa là điện áp bão hòa phải nhỏ. Cái trước yêu cầu điện trở suất cao trong vật liệu thu, trong khi cái sau yêu cầu điện trở suất thấp, điều này tạo ra sự mâu thuẫn. Việc giảm độ dày của vùng thu để giảm điện trở nối tiếp sẽ làm cho tấm bán dẫn silicon quá mỏng và dễ vỡ để xử lý, đồng thời việc giảm điện trở suất sẽ mâu thuẫn với yêu cầu đầu tiên. Sự phát triển của công nghệ epiticular đã giải quyết thành công vấn đề này. Giải pháp là phát triển lớp epiticular có điện trở suất cao trên chất nền có điện trở suất thấp. Thiết bị được chế tạo trên lớp epitaxy đảm bảo điện áp đánh thủng cao của Transistor, trong khi đế có điện trở suất thấp làm giảm điện trở nền và hạ điện áp bão hòa, giải quyết mâu thuẫn giữa hai yêu cầu.

Ngoài ra, các công nghệ epiticular cho chất bán dẫn hợp chất III-V và II-VI như GaAs, GaN và các loại khác, bao gồm cả epitaxy pha hơi và pha lỏng, đã có những tiến bộ đáng kể. Những công nghệ này đã trở nên thiết yếu cho việc chế tạo nhiều thiết bị vi sóng, quang điện tử và năng lượng. Đặc biệt, các kỹ thuật như epit Wax chùm phân tử (MBE) và lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD) đã được áp dụng thành công cho các lớp mỏng, siêu mạng, giếng lượng tử, siêu mạng căng và các lớp epiticular mỏng ở quy mô nguyên tử, tạo nền tảng vững chắc cho sự phát triển của các lĩnh vực bán dẫn mới như “kỹ thuật băng tần”.

Trong các ứng dụng thực tế, hầu hết các thiết bị bán dẫn dải rộng đều được chế tạo trên các lớp epitaxy, với các vật liệu như cacbua silic (SiC) chỉ được sử dụng làm chất nền. Do đó, việc kiểm soát lớp epiticular là một yếu tố quan trọng trong ngành bán dẫn băng rộng.

Công nghệ Epitaxy: Bảy tính năng chính

1. Epitaxy có thể phát triển lớp điện trở suất cao (hoặc thấp) trên chất nền có điện trở suất thấp (hoặc cao).

2. Epitaxy cho phép sự phát triển của các lớp epiticular loại N (hoặc P) trên chất nền loại P (hoặc N), trực tiếp hình thành mối nối PN mà không gặp vấn đề bù trừ phát sinh khi sử dụng khuếch tán để tạo mối nối PN trên chất nền đơn tinh thể.

3. Khi kết hợp với công nghệ mặt nạ, sự tăng trưởng epiticular có chọn lọc có thể được thực hiện ở những khu vực cụ thể, cho phép chế tạo các mạch và thiết bị tích hợp có cấu trúc đặc biệt.

4. Sự tăng trưởng epiticular cho phép kiểm soát các loại và nồng độ doping, với khả năng đạt được những thay đổi đột ngột hoặc dần dần về nồng độ.

5. Epitaxy có thể phát triển các hợp chất không đồng nhất, nhiều lớp, nhiều thành phần với thành phần thay đổi, kể cả các lớp siêu mỏng.

6. Sự tăng trưởng epiticular có thể xảy ra ở nhiệt độ dưới điểm nóng chảy của vật liệu, với tốc độ tăng trưởng có thể kiểm soát được, cho phép độ dày lớp có độ chính xác ở cấp độ nguyên tử.

7. Epitaxy cho phép phát triển các lớp vật liệu đơn tinh thể không thể kéo thành tinh thể, chẳng hạn như GaN và các chất bán dẫn hợp chất bậc ba/bậc bốn.

Các lớp epiticular khác nhau và các quy trình epiticular

Tóm lại, các lớp epiticular cung cấp cấu trúc tinh thể hoàn hảo và dễ kiểm soát hơn so với các chất nền khối, có lợi cho sự phát triển của các vật liệu tiên tiến.