Origine del nome “Wafer epitassiale”
La preparazione del wafer consiste in due fasi principali: preparazione del substrato e processo epitassiale. Il substrato è costituito da materiale semiconduttore monocristallino e viene generalmente lavorato per produrre dispositivi a semiconduttore. Può anche subire un trattamento epitassiale per formare un wafer epitassiale. L'epitassia si riferisce al processo di crescita di un nuovo strato monocristallino su un substrato monocristallino accuratamente lavorato. Il nuovo monocristallo può essere dello stesso materiale del substrato (epitassia omogenea) o di materiale diverso (epitassia eterogenea). Poiché il nuovo strato cristallino cresce in allineamento con l'orientamento cristallino del substrato, viene chiamato strato epitassiale. Il wafer con lo strato epitassiale viene chiamato wafer epitassiale (wafer epitassiale = strato epitassiale + substrato). I dispositivi fabbricati sullo strato epitassiale sono chiamati "epitassia diretta", mentre i dispositivi fabbricati sul substrato sono indicati come "epitassia inversa", dove lo strato epitassiale funge solo da supporto.
Epitassia omogenea ed eterogenea
▪Epitassia omogenea:Lo strato epitassiale e il substrato sono costituiti dallo stesso materiale: ad esempio Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.
▪Epitassia eterogenea:Lo strato epitassiale e il substrato sono costituiti da materiali diversi: ad esempio Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC, ecc.
Wafer lucidati
Quali problemi risolve l’epitassia?
I materiali monocristallini sfusi da soli non sono sufficienti per soddisfare le esigenze sempre più complesse della fabbricazione di dispositivi a semiconduttore. Pertanto, alla fine del 1959, fu sviluppata la tecnica di crescita del materiale monocristallino sottile nota come epitassia. Ma in che modo la tecnologia epitassiale ha contribuito specificamente al progresso dei materiali? Per il silicio, lo sviluppo dell'epitassia del silicio è avvenuto in un momento critico in cui la fabbricazione di transistor al silicio ad alta frequenza e alta potenza incontrava notevoli difficoltà. Dal punto di vista dei principi dei transistor, per ottenere frequenze e potenze elevate è necessario che la tensione di rottura della regione del collettore sia elevata e che la resistenza in serie sia bassa, il che significa che la tensione di saturazione dovrebbe essere piccola. Il primo richiede un'elevata resistività nel materiale del collettore, mentre il secondo richiede una bassa resistività, il che crea una contraddizione. Ridurre lo spessore della regione del collettore per ridurre la resistenza in serie renderebbe il wafer di silicio troppo sottile e fragile per la lavorazione, e l'abbassamento della resistività entrerebbe in conflitto con il primo requisito. Lo sviluppo della tecnologia epitassiale ha risolto con successo questo problema. La soluzione era far crescere uno strato epitassiale ad alta resistività su un substrato a bassa resistività. Il dispositivo è fabbricato sullo strato epitassiale, garantendo l'elevata tensione di rottura del transistor, mentre il substrato a bassa resistività riduce la resistenza di base e abbassa la tensione di saturazione, risolvendo la contraddizione tra i due requisiti.
Inoltre, le tecnologie epitassiali per semiconduttori composti III-V e II-VI come GaAs, GaN e altri, inclusa l'epitassia in fase vapore e fase liquida, hanno registrato progressi significativi. Queste tecnologie sono diventate essenziali per la fabbricazione di molti dispositivi a microonde, optoelettronici e di potenza. In particolare, tecniche come l'epitassia a fascio molecolare (MBE) e la deposizione chimica in fase vapore metallo-organica (MOCVD) sono state applicate con successo a strati sottili, superreticoli, pozzi quantici, superreticoli deformati e strati epitassiali sottili su scala atomica, ponendo solide basi per lo sviluppo di nuovi campi dei semiconduttori come il “band engineering”.
Nelle applicazioni pratiche, la maggior parte dei dispositivi a semiconduttore ad ampio gap di banda sono fabbricati su strati epitassiali, con materiali come il carburo di silicio (SiC) utilizzati esclusivamente come substrati. Pertanto, il controllo dello strato epitassiale è un fattore critico nel settore dei semiconduttori ad ampio gap di banda.
Tecnologia epitassia: sette caratteristiche chiave
1. L'epitassia può far crescere uno strato ad alta (o bassa) resistività su un substrato a bassa (o alta) resistività.
2. L'epitassia consente la crescita di strati epitassiali di tipo N (o P) su substrati di tipo P (o N), formando direttamente una giunzione PN senza i problemi di compensazione che si presentano quando si utilizza la diffusione per creare una giunzione PN su un substrato a cristallo singolo.
3. Se combinata con la tecnologia della maschera, la crescita epitassiale selettiva può essere eseguita in aree specifiche, consentendo la fabbricazione di circuiti integrati e dispositivi con strutture speciali.
4. La crescita epitassiale consente il controllo dei tipi e delle concentrazioni di doping, con la capacità di ottenere cambiamenti bruschi o graduali nella concentrazione.
5. L'epitassia può far crescere composti eterogenei, multistrato e multicomponente con composizioni variabili, inclusi strati ultrasottili.
6. La crescita epitassiale può verificarsi a temperature inferiori al punto di fusione del materiale, con un tasso di crescita controllabile, consentendo una precisione a livello atomico nello spessore dello strato.
7. L'epitassia consente la crescita di strati monocristallini di materiali che non possono essere trasformati in cristalli, come GaN e semiconduttori composti ternari/quaternari.
Vari strati epitassiali e processi epitassiali
In sintesi, gli strati epitassiali offrono una struttura cristallina più facilmente controllabile e perfetta rispetto ai substrati sfusi, il che è vantaggioso per lo sviluppo di materiali avanzati.
Orario di pubblicazione: 24 dicembre 2024