რატომ სჭირდება ნახევარგამტარულ მოწყობილობებს "ეპიტაქსიური ფენა"

სახელის წარმოშობა "ეპიტაქსიალური ვაფლი"

ვაფლის მომზადება შედგება ორი ძირითადი ეტაპისგან: სუბსტრატის მომზადება და ეპიტაქსიური პროცესი. სუბსტრატი დამზადებულია ნახევარგამტარული ერთკრისტალური მასალისგან და, როგორც წესი, მუშავდება ნახევარგამტარული მოწყობილობების წარმოებისთვის. მას ასევე შეუძლია გაიაროს ეპიტაქსიური დამუშავება ეპიტაქსიური ვაფლის წარმოქმნით. ეპიტაქსია ეხება ახალი ერთკრისტალური ფენის ზრდის პროცესს ფრთხილად დამუშავებულ ერთკრისტალურ სუბსტრატზე. ახალი ერთკრისტალი შეიძლება იყოს იგივე მასალისგან, როგორც სუბსტრატი (ერთგვაროვანი ეპიტაქსია) ან განსხვავებული მასალა (ჰეტეროგენული ეპიტაქსია). ვინაიდან ახალი ბროლის ფენა იზრდება სუბსტრატის კრისტალური ორიენტაციის შესაბამისად, მას ეპიტაქსიალური ფენა ეწოდება. ეპიტაქსიალური ფენით ვაფლს მოიხსენიებენ, როგორც ეპიტაქსიალურ ვაფლს (ეპიტაქსიალური ვაფლი = ეპიტაქსიალური ფენა + სუბსტრატი). ეპიტაქსიალურ ფენაზე დამზადებულ მოწყობილობებს ეწოდება "წინა ეპიტაქსია", ხოლო სუბსტრატზე დამზადებულ მოწყობილობებს მოიხსენიებენ როგორც "უკუ ეპიტაქსიას", სადაც ეპიტაქსიური ფენა მხოლოდ საყრდენის ფუნქციას ასრულებს.

ჰომოგენური და ჰეტეროგენული ეპიტაქსია

▪ჰომოგენური ეპიტაქსია:ეპიტაქსიალური ფენა და სუბსტრატი მზადდება ერთი და იგივე მასალისგან: მაგ., Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪ჰეტეროგენული ეპიტაქსია:ეპიტაქსიალური ფენა და სუბსტრატი დამზადებულია სხვადასხვა მასალისგან: მაგ., Si/Al2O3, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC და ა.შ.

გაპრიალებული ვაფლი

რა პრობლემებს წყვეტს ეპიტაქსია?

მარტო ერთკრისტალური მასალები არასაკმარისია ნახევარგამტარული მოწყობილობების დამზადების მზარდი რთული მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად. ამიტომ, 1959 წლის ბოლოს, შეიქმნა თხელი ერთკრისტალური მასალის ზრდის ტექნიკა, რომელიც ცნობილია როგორც ეპიტაქსია. მაგრამ როგორ დაეხმარა ეპიტაქსიური ტექნოლოგია კონკრეტულად მასალების წინსვლას? სილიკონისთვის, სილიციუმის ეპიტაქსიის განვითარება მოხდა კრიტიკულ დროს, როდესაც მაღალი სიხშირის, მაღალი სიმძლავრის სილიკონის ტრანზისტორების დამზადებას მნიშვნელოვანი სირთულეები შეექმნა. ტრანზისტორი პრინციპების პერსპექტივიდან გამომდინარე, მაღალი სიხშირისა და სიმძლავრის მისაღწევად საჭიროა, რომ კოლექტორის რეგიონის დაშლის ძაბვა იყოს მაღალი, ხოლო სერიის წინააღმდეგობა დაბალი, რაც ნიშნავს, რომ გაჯერების ძაბვა უნდა იყოს მცირე. პირველი მოითხოვს კოლექტორის მასალაში მაღალ წინააღმდეგობას, ხოლო მეორე მოითხოვს დაბალ წინაღობას, რაც ქმნის წინააღმდეგობას. კოლექტორის რეგიონის სისქის შემცირება სერიული წინააღმდეგობის შესამცირებლად სილიკონის ვაფლს გახდის ზედმეტად თხელი და მყიფე დასამუშავებლად, ხოლო წინააღმდეგობის დაწევა ეწინააღმდეგება პირველ მოთხოვნას. ეპიტაქსიალური ტექნოლოგიის განვითარებამ წარმატებით გადაჭრა ეს საკითხი. გამოსავალი იყო მაღალი წინააღმდეგობის ეპიტაქსიალური ფენის გაზრდა დაბალი რეზისტენტობის სუბსტრატზე. მოწყობილობა დამზადებულია ეპიტაქსიალურ ფენაზე, რაც უზრუნველყოფს ტრანზისტორის მაღალი რღვევის ძაბვას, ხოლო დაბალი წინაღობის სუბსტრატი ამცირებს ბაზის წინააღმდეგობას და ამცირებს გაჯერების ძაბვას, ხსნის წინააღმდეგობას ორ მოთხოვნას შორის.

გარდა ამისა, III-V და II-VI რთული ნახევარგამტარების ეპიტაქსიალურმა ტექნოლოგიებმა, როგორიცაა GaAs, GaN და სხვა, მათ შორის ორთქლის ფაზა და თხევადი ფაზის ეპიტაქსია, მნიშვნელოვანი წინსვლა განიცადა. ეს ტექნოლოგიები აუცილებელი გახდა მრავალი მიკროტალღური, ოპტოელექტრონული და ენერგეტიკული მოწყობილობების წარმოებისთვის. კერძოდ, ტექნიკები, როგორიცაა მოლეკულური სხივის ეპიტაქსია (MBE) და ლითონ-ორგანული ქიმიური ორთქლის დეპონირება (MOCVD) წარმატებით იქნა გამოყენებული თხელ ფენებზე, სუპერქსელებზე, კვანტურ ჭაბურღილებზე, დაძაბულ ზელატებზე და ატომური მასშტაბის თხელ ეპიტაქსიალურ ფენებზე, რაც მყარ საფუძველს უყრის ახალი ნახევარგამტარული დარგების განვითარება, როგორიცაა "ჯგუფური ინჟინერია".

პრაქტიკულ გამოყენებაში, ფართო ზოლიანი ნახევარგამტარული მოწყობილობების უმეტესობა დამზადებულია ეპიტაქსიალურ ფენებზე, სადაც მასალები, როგორიცაა სილიციუმის კარბიდი (SiC) გამოიყენება მხოლოდ სუბსტრატებად. ამიტომ, ეპიტაქსიალური ფენის კონტროლი არის კრიტიკული ფაქტორი ფართო ზოლიანი ნახევარგამტარების ინდუსტრიაში.

ეპიტაქსიის ტექნოლოგია: შვიდი ძირითადი მახასიათებელი

1. ეპიტაქსის შეუძლია გაიზარდოს მაღალი (ან დაბალი) წინააღმდეგობის ფენა დაბალი (ან მაღალი) წინააღმდეგობის სუბსტრატზე.

2. ეპიტაქსია საშუალებას აძლევს N (ან P) ტიპის ეპიტაქსიალური ფენების ზრდას P (ან N) ტიპის სუბსტრატებზე, პირდაპირ ქმნიან PN შეერთებას კომპენსაციის პრობლემების გარეშე, რომლებიც წარმოიქმნება დიფუზიის გამოყენებისას PN შეერთების შესაქმნელად ერთ კრისტალურ სუბსტრატზე.

3. ნიღბის ტექნოლოგიასთან შერწყმისას, შერჩევითი ეპიტაქსიალური ზრდა შეიძლება განხორციელდეს კონკრეტულ ზონებში, რაც შესაძლებელს გახდის ინტეგრირებული სქემების და სპეციალური სტრუქტურების მოწყობილობების დამზადებას.

4. ეპიტაქსიური ზრდა იძლევა დოპინგის ტიპებისა და კონცენტრაციების კონტროლის საშუალებას, კონცენტრაციის მკვეთრი ან თანდათანობითი ცვლილებების მიღწევის უნარით.

5. ეპიტაქსიას შეუძლია გაიზარდოს ჰეტეროგენული, მრავალშრიანი, მრავალკომპონენტიანი ნაერთები ცვლადი შემადგენლობით, მათ შორის ულტრა თხელი ფენებით.

6. ეპიტაქსიური ზრდა შეიძლება მოხდეს მასალის დნობის წერტილზე დაბალ ტემპერატურაზე, კონტროლირებადი ზრდის ტემპით, რაც საშუალებას იძლევა ატომური დონის სიზუსტე ფენის სისქეში.

7. ეპიტაქსია საშუალებას იძლევა გაზარდოს მასალების ერთკრისტალური ფენები, რომლებიც შეუძლებელია კრისტალებში ჩაყრა, როგორიცაა GaN და სამჯერ/მეოთხე ნაერთი ნახევარგამტარები.

სხვადასხვა ეპიტაქსიური ფენები და ეპიტაქსიური პროცესები

მოკლედ, ეპიტაქსიალური ფენები გვთავაზობენ უფრო ადვილად კონტროლირებად და სრულყოფილ კრისტალურ სტრუქტურას, ვიდრე ნაყარი სუბსტრატები, რაც სასარგებლოა მოწინავე მასალების განვითარებისთვის.