Mengapa Peranti Semikonduktor Memerlukan "Lapisan Epitaxial"

Asal Nama "Wafer Epitaxial"

Penyediaan wafer terdiri daripada dua langkah utama: penyediaan substrat dan proses epitaxial. Substrat diperbuat daripada bahan kristal tunggal semikonduktor dan biasanya diproses untuk menghasilkan peranti semikonduktor. Ia juga boleh menjalani pemprosesan epitaxial untuk membentuk wafer epitaxial. Epitaksi merujuk kepada proses mengembangkan lapisan kristal tunggal baru pada substrat kristal tunggal yang diproses dengan teliti. Kristal tunggal baharu boleh daripada bahan yang sama dengan substrat (epitaksi homogen) atau bahan yang berbeza (epitaksi heterogen). Oleh kerana lapisan kristal baharu tumbuh sejajar dengan orientasi kristal substrat, ia dipanggil lapisan epitaxial. Wafer dengan lapisan epitaxial dirujuk sebagai wafer epitaxial (wafer epitaxial = lapisan epitaxial + substrat). Peranti yang direka pada lapisan epitaksi dipanggil "epitaksi hadapan," manakala peranti yang dibuat pada substrat dirujuk sebagai "epitaksi terbalik," di mana lapisan epitaksi hanya berfungsi sebagai sokongan.

Epitaksi Homogen dan Heterogen

▪Epitaksi homogen:Lapisan epitaxial dan substrat diperbuat daripada bahan yang sama: cth, Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Epitaksi Heterogen:Lapisan dan substrat epitaxial diperbuat daripada bahan yang berbeza: cth, Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC, dsb.

Wafer Digilap

Apakah Masalah Yang Epitaxy Selesaikan?

Bahan kristal tunggal pukal sahaja tidak mencukupi untuk memenuhi permintaan yang semakin kompleks bagi fabrikasi peranti semikonduktor. Oleh itu, pada akhir tahun 1959, teknik pertumbuhan bahan kristal tunggal nipis yang dikenali sebagai epitaksi telah dibangunkan. Tetapi bagaimana teknologi epitaxial secara khusus membantu kemajuan bahan? Bagi silikon, pembangunan epitaksi silikon berlaku pada masa kritikal apabila fabrikasi transistor silikon berkuasa tinggi frekuensi tinggi menghadapi kesukaran yang ketara. Dari perspektif prinsip transistor, mencapai frekuensi tinggi dan kuasa memerlukan voltan pecahan rantau pengumpul adalah tinggi, dan rintangan siri adalah rendah, bermakna voltan tepu harus kecil. Yang pertama memerlukan kerintangan tinggi dalam bahan pengumpul, manakala yang kedua memerlukan kerintangan yang rendah, yang mewujudkan percanggahan. Mengurangkan ketebalan kawasan pengumpul untuk mengurangkan rintangan siri akan menjadikan wafer silikon terlalu nipis dan rapuh untuk diproses, dan menurunkan kerintangan akan bercanggah dengan keperluan pertama. Perkembangan teknologi epitaxial berjaya menyelesaikan isu ini. Penyelesaiannya adalah untuk menumbuhkan lapisan epitaxial kerintangan tinggi pada substrat kerintangan rendah. Peranti ini direka pada lapisan epitaxial, memastikan voltan pecahan tinggi transistor, manakala substrat kerintangan rendah mengurangkan rintangan asas dan merendahkan voltan tepu, menyelesaikan percanggahan antara kedua-dua keperluan.

Selain itu, teknologi epitaxial untuk semikonduktor kompaun III-V dan II-VI seperti GaAs, GaN, dan lain-lain, termasuk fasa wap dan epitaksi fasa cecair, telah menyaksikan kemajuan yang ketara. Teknologi ini telah menjadi penting untuk pembuatan banyak peranti gelombang mikro, optoelektronik dan kuasa. Khususnya, teknik seperti epitaksi rasuk molekul (MBE) dan pemendapan wap kimia logam-organik (MOCVD) telah berjaya digunakan pada lapisan nipis, superlattices, telaga kuantum, superlattices tegang dan lapisan epitaxial nipis skala atom, meletakkan asas yang kukuh untuk pembangunan bidang semikonduktor baharu seperti "kejuruteraan jalur."

Dalam aplikasi praktikal, kebanyakan peranti semikonduktor celah jalur lebar dibuat pada lapisan epitaxial, dengan bahan seperti silikon karbida (SiC) digunakan semata-mata sebagai substrat. Oleh itu, mengawal lapisan epitaxial adalah faktor kritikal dalam industri semikonduktor jurang jalur lebar.

Teknologi Epitaksi: Tujuh Ciri Utama

1. Epitaksi boleh menumbuhkan lapisan kerintangan tinggi (atau rendah) pada substrat kerintangan rendah (atau tinggi).

2. Epitaksi membenarkan pertumbuhan lapisan epitaxial jenis N (atau P) pada substrat jenis P (atau N), secara langsung membentuk persimpangan PN tanpa masalah pampasan yang timbul apabila menggunakan resapan untuk mencipta persimpangan PN pada substrat kristal tunggal.

3. Apabila digabungkan dengan teknologi topeng, pertumbuhan epitaxial terpilih boleh dilakukan di kawasan tertentu, membolehkan fabrikasi litar bersepadu dan peranti dengan struktur khas.

4. Pertumbuhan epitaxial membolehkan kawalan jenis dan kepekatan doping, dengan keupayaan untuk mencapai perubahan kepekatan secara mendadak atau beransur-ansur.

5. Epitaksi boleh menumbuhkan sebatian heterogen, berbilang lapisan, berbilang komponen dengan komposisi berubah-ubah, termasuk lapisan ultra-nipis.

6. Pertumbuhan epitaxial boleh berlaku pada suhu di bawah takat lebur bahan, dengan kadar pertumbuhan yang boleh dikawal, membolehkan ketepatan tahap atom dalam ketebalan lapisan.

7. Epitaksi membolehkan pertumbuhan satu lapisan kristal bahan yang tidak boleh ditarik ke dalam kristal, seperti GaN dan semikonduktor sebatian ternary/quaternary.

Pelbagai Lapisan Epitaxial dan Proses Epitaxial

Secara ringkasnya, lapisan epitaxial menawarkan struktur kristal yang lebih mudah dikawal dan sempurna daripada substrat pukal, yang bermanfaat untuk pembangunan bahan termaju.