چرا دستگاه های نیمه هادی به یک "لایه اپیتاکسیال" نیاز دارند

ریشه نام "ویفر اپیتاکسیال"

آماده سازی ویفر از دو مرحله اصلی تشکیل شده است: آماده سازی بستر و فرآیند اپیتاکسیال. زیرلایه از مواد تک کریستال نیمه هادی ساخته شده است و معمولاً برای تولید دستگاه های نیمه هادی پردازش می شود. همچنین می تواند تحت پردازش اپیتاکسیال قرار گیرد تا یک ویفر اپیتاکسیال تشکیل شود. Epitaxy به فرآیند رشد یک لایه تک کریستالی جدید بر روی یک بستر تک کریستالی با دقت پردازش شده اشاره دارد. تک کریستال جدید می تواند از همان ماده زیرلایه (اپی تاکسی همگن) یا یک ماده متفاوت (اپیتاکسی ناهمگن) باشد. از آنجایی که لایه کریستالی جدید در راستای جهت گیری کریستالی بستر رشد می کند، به آن لایه اپیتاکسیال می گویند. ویفر با لایه اپیتاکسیال به ویفر اپیتاکسیال گفته می شود (ویفر اپیتاکسی = لایه همپای + بستر). دستگاه‌های ساخته شده بر روی لایه همپایی «اپیتاکسی رو به جلو» نامیده می‌شوند، در حالی که دستگاه‌های ساخته شده بر روی زیرلایه، «اپیتاکسی معکوس» نامیده می‌شوند، جایی که لایه همپایی تنها به عنوان تکیه‌گاه عمل می‌کند.

اپیتاکسی همگن و ناهمگن

▪همگنی همگن:لایه اپیتاکسیال و بستر از یک ماده ساخته شده اند: به عنوان مثال، Si/Si، GaAs/GaAs، GaP/GaP.

▪اپیتاکسی ناهمگن:لایه اپیتاکسیال و بستر از مواد مختلفی ساخته شده است: به عنوان مثال، Si/Al2O3، GaS/Si، GaAlAs/GaAs، GaN/SiC و غیره.

ویفر جلا داده شده

اپیتاکسی چه مشکلاتی را حل می کند؟

مواد تک کریستالی حجیم به تنهایی برای پاسخگویی به نیازهای پیچیده تر ساخت دستگاه های نیمه هادی کافی نیستند. بنابراین، در اواخر سال 1959، تکنیک رشد مواد تک کریستال نازک معروف به اپیتاکسی توسعه یافت. اما چگونه فناوری اپیتاکسیال به طور خاص به پیشرفت مواد کمک کرد؟ برای سیلیکون، توسعه اپیتاکسی سیلیکون در یک زمان بحرانی رخ داد که ساخت ترانزیستورهای سیلیکونی با فرکانس بالا و توان بالا با مشکلات قابل توجهی روبرو بود. از منظر اصول ترانزیستور، دستیابی به فرکانس و توان بالا مستلزم آن است که ولتاژ شکست ناحیه کلکتور بالا و مقاومت سری کم باشد، یعنی ولتاژ اشباع باید کم باشد. اولی نیاز به مقاومت بالایی در مواد جمع کننده دارد، در حالی که دومی به مقاومت کم نیاز دارد که تضاد ایجاد می کند. کاهش ضخامت ناحیه کلکتور برای کاهش مقاومت سری، ویفر سیلیکونی را برای پردازش بسیار نازک و شکننده می‌کند و کاهش مقاومت با نیاز اول در تضاد است. توسعه فناوری اپیتاکسیال با موفقیت این مشکل را حل کرد. راه حل این بود که یک لایه اپیتاکسیال با مقاومت بالا روی یک بستر با مقاومت کم رشد کنید. این دستگاه بر روی لایه اپیتاکسیال ساخته می‌شود و از ولتاژ شکست بالای ترانزیستور اطمینان می‌دهد، در حالی که بستر با مقاومت پایین مقاومت پایه را کاهش می‌دهد و ولتاژ اشباع را کاهش می‌دهد و تضاد بین دو مورد نیاز را حل می‌کند.

علاوه بر این، فن‌آوری‌های اپیتاکسیال برای نیمه‌رساناهای مرکب III-V و II-VI مانند GaAs، GaN و سایرین، از جمله فاز بخار و اپیتاکسی فاز مایع، پیشرفت‌های قابل‌توجهی داشته‌اند. این فناوری‌ها برای ساخت بسیاری از دستگاه‌های مایکروویو، نوری و الکترونیکی ضروری شده‌اند. به طور خاص، تکنیک هایی مانند اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) و رسوب بخار شیمیایی فلزی-آلی (MOCVD) با موفقیت در لایه های نازک، ابرشبکه ها، چاه های کوانتومی، ابرشبکه های کرنش، و لایه های همپای نازک در مقیاس اتمی به کار گرفته شده اند، و پایه ای محکم برای این لایه ها ایجاد کرده اند. توسعه زمینه های نیمه هادی جدید مانند "مهندسی باند".

در کاربردهای عملی، اکثر دستگاه‌های نیمه‌رسانا با شکاف گسترده بر روی لایه‌های هم‌پایه ساخته می‌شوند و موادی مانند کاربید سیلیکون (SiC) صرفاً به عنوان زیرلایه استفاده می‌شوند. بنابراین، کنترل لایه اپیتاکسیال یک عامل حیاتی در صنعت نیمه هادی با گپ گسترده است.

فناوری Epitaxy: هفت ویژگی کلیدی

1. Epitaxy می تواند یک لایه با مقاومت بالا (یا کم) روی یک بستر با مقاومت کم (یا بالا) رشد دهد.

2. اپیتاکسی اجازه رشد لایه های همپایی نوع N (یا P) را روی بسترهای نوع P (یا N) می دهد و مستقیماً یک اتصال PN را بدون مشکلات جبرانی که هنگام استفاده از انتشار برای ایجاد پیوند PN روی یک بستر تک کریستالی ایجاد می شود، تشکیل می دهد.

3. هنگامی که با فناوری ماسک ترکیب می شود، رشد اپیتاکسیال انتخابی را می توان در مناطق خاص انجام داد، که امکان ساخت مدارهای مجتمع و دستگاه هایی با ساختارهای خاص را فراهم می کند.

4. رشد اپیتاکسیال امکان کنترل انواع و غلظت دوپینگ را با توانایی دستیابی به تغییرات ناگهانی یا تدریجی در غلظت فراهم می کند.

5. Epitaxy می تواند ترکیبات ناهمگن، چند لایه و چند جزئی را با ترکیبات متغیر، از جمله لایه های فوق نازک، رشد دهد.

6. رشد اپیتاکسیال می تواند در دماهای کمتر از نقطه ذوب ماده رخ دهد، با نرخ رشد قابل کنترل، که امکان دقت در سطح اتمی در ضخامت لایه را فراهم می کند.

7. اپیتاکسی رشد لایه‌های تک بلوری از موادی را که نمی‌توان آن‌ها را به داخل کریستال‌ها کشید، مانند GaN و نیمه‌رساناهای ترکیبی سه‌تایی/چهارتای امکان‌پذیر می‌سازد.

لایه های اپیتاکسیال مختلف و فرآیندهای همپایی

به طور خلاصه، لایه‌های اپیتاکسیال ساختار بلوری راحت‌تر و کامل‌تری را نسبت به بسترهای حجیم ارائه می‌دهند که برای توسعه مواد پیشرفته مفید است.