ሴሚኮንዳክተር መሳሪያዎች ለምን "ኤፒታክሲያል ንብርብር" ያስፈልጋቸዋል

የ “Epitaxial Wafer” ስም አመጣጥ

የ Wafer ዝግጅት ሁለት ዋና ደረጃዎችን ያካትታል-የመሬት ዝግጅት እና ኤፒታክሲያል ሂደት። ንብረቱ ከሴሚኮንዳክተር ነጠላ ክሪስታል ቁሳቁስ የተሰራ ሲሆን በተለምዶ ሴሚኮንዳክተር መሳሪያዎችን ለማምረት ይሠራል። በተጨማሪም ኤፒታክሲያል ቫፈርን ለመመስረት ኤፒታክሲያል ሂደትን ሊያካሂድ ይችላል. ኤፒታክሲ በጥንቃቄ በተሰራ ነጠላ ክሪስታል ንጣፍ ላይ አዲስ ነጠላ ክሪስታል ንብርብር የማብቀል ሂደትን ያመለክታል። አዲሱ ነጠላ ክሪስታል ከሥርዓተ-ነገር (ተመሳሳይ ኤፒታክሲስ) ወይም የተለየ ቁሳቁስ (ሄትሮጂንስ ኤፒታክሲ) ጋር ተመሳሳይ ሊሆን ይችላል. አዲሱ የክሪስታል ሽፋን ከስር መሰረቱ ክሪስታል አቅጣጫ ጋር ተጣጥሞ ስለሚያድግ ኤፒታክሲያል ንብርብር ይባላል። ከኤፒታክሲያል ንብርብር ጋር ያለው ዋፈር እንደ ኤፒታክሲያል ዋፈር (epitaxial wafer = epitaxial Layer + substrate) ይባላል። በኤፒታክሲያል ሽፋን ላይ የተሰሩ መሳሪያዎች "ወደፊት ኤፒታክሲ" ይባላሉ, በንጥረኛው ላይ የተሠሩ መሳሪያዎች ደግሞ "ተገላቢጦሽ ኤፒታክሲ" ተብለው ይጠራሉ, ኤፒታክሲያል ሽፋን እንደ ድጋፍ ብቻ የሚያገለግል ነው.

ተመሳሳይነት ያለው እና ሄትሮጂን ኤፒታክሲ

▪ተመሳሳይነት ያለው ኤፒታክሲ;የኤፒታክሲያል ንብርብር እና ንጣፍ ከተመሳሳይ ቁሳቁስ የተሠሩ ናቸው፡- ለምሳሌ፡ Si/Si፣ GaAs/GaAs፣ GaP/GaP።

▪ሄትሮጂንስ ኤፒታክሲ;የኤፒታክሲያል ንብርብር እና ንጣፍ ከተለያዩ ቁሳቁሶች የተሠሩ ናቸው፡ ለምሳሌ፡ Si/Al₂O₃፣ GaS/Si፣ GaAlAs/GaAs፣ GaN/SiC፣ ወዘተ.

የተጣራ Wafers

ኤፒታክሲስ ምን ችግሮች ይፈታል?

የጅምላ ነጠላ ክሪስታል ቁሶች ከጊዜ ወደ ጊዜ እየጨመረ የመጣውን የሴሚኮንዳክተር መሳሪያ ማምረቻ ፍላጎቶችን ለማሟላት በቂ አይደሉም። ስለዚህ፣ በ1959 መጨረሻ፣ ኤፒታክሲ በመባል የሚታወቀው ቀጭን ነጠላ ክሪስታል ቁስ የማደግ ዘዴ ተፈጠረ። ግን የኤፒታክሲያል ቴክኖሎጂ በተለይ የቁሳቁሶችን እድገት የረዳው እንዴት ነው? ለሲሊኮን ከፍተኛ-ድግግሞሽ እና ከፍተኛ ኃይል ያለው የሲሊኮን ትራንዚስተሮች ከፍተኛ ችግሮች ሲያጋጥሟቸው የሲሊኮን ኤፒታክሲስ እድገት በጣም አስፈላጊ በሆነ ጊዜ ውስጥ ተከስቷል። ከትራንዚስተር መርሆች አንፃር ከፍተኛ ድግግሞሽ እና ሃይል ማግኘት ሰብሳቢው ክልል መፈራረስ ቮልቴጁ ከፍ ያለ መሆን አለበት እና የተከታታይ ተቃውሞ ዝቅተኛ መሆን አለበት ይህም ማለት ሙሌት ቮልቴጅ ትንሽ መሆን አለበት ማለት ነው። የመጀመሪያው በሰብሳቢው ቁሳቁስ ውስጥ ከፍተኛ ተቃውሞ ያስፈልገዋል, ሁለተኛው ደግሞ ዝቅተኛ ተቃውሞ ያስፈልገዋል, ይህም ተቃርኖ ይፈጥራል. ተከታታይ የመቋቋም አቅምን ለመቀነስ የሰብሳቢውን ክልል ውፍረት መቀነስ የሲሊኮን ቫፈር በጣም ቀጭን እና ለሂደቱ የተበጣጠሰ ያደርገዋል እና የመቋቋም አቅምን ዝቅ ማድረግ ከመጀመሪያው መስፈርት ጋር ይጋጫል። የኤፒታክሲያል ቴክኖሎጂ እድገት ይህንን ችግር በተሳካ ሁኔታ ፈትቷል. መፍትሄው ዝቅተኛ የመቋቋም ችሎታ ባለው ንጣፍ ላይ ከፍተኛ የመቋቋም ችሎታ ያለው ኤፒታክሲያል ንብርብር ማደግ ነበር። መሳሪያው በ epitaxial ንብርብር ላይ ተሠርቷል, ትራንዚስተር ያለውን ከፍተኛ መፈራረስ ቮልቴጅ በማረጋገጥ, ዝቅተኛ-resistivity substrate መሠረት የመቋቋም ይቀንሳል እና ሙሌት ቮልቴጅ ዝቅ, በሁለቱ መስፈርቶች መካከል ያለውን ቅራኔ በመፍታት ሳለ.

በተጨማሪም፣ የኤፒታክሲያል ቴክኖሎጂዎች ለ III-V እና II-VI ውሁድ ሴሚኮንዳክተሮች እንደ GaAs፣ GaN እና ሌሎችም፣ የእንፋሎት ደረጃ እና የፈሳሽ ደረጃ ኤፒታክሲን ጨምሮ፣ ጉልህ እድገቶችን አሳይተዋል። እነዚህ ቴክኖሎጂዎች ለብዙ ማይክሮዌቭ፣ ኦፕቶኤሌክትሮኒክ እና ሃይል መሳሪያዎች ለማምረት አስፈላጊ ሆነዋል። በተለይም እንደ ሞለኪውላር ቢም ኤፒታክሲ (MBE) እና የብረት-ኦርጋኒክ ኬሚካላዊ ትነት ክምችት (MOCVD) ያሉ ቴክኒኮች በቀጫጭን ንብርብሮች፣ ሱፐርላቲስ፣ ኳንተም ጉድጓዶች፣ በተጣራ ሱፐርላቲስ እና በአቶሚክ-ሚዛን ቀጭን ኤፒታክሲያል ንብርብሮች ላይ በተሳካ ሁኔታ ተተግብረዋል። እንደ “ባንድ ኢንጂነሪንግ” ያሉ አዳዲስ ሴሚኮንዳክተር መስኮች ልማት።

በተግባራዊ አተገባበር፣ አብዛኛው ሰፊ ባንድጋፕ ሴሚኮንዳክተር መሳሪያዎች በኤፒታክሲያል ንብርብሮች ላይ ተሠርተዋል፣ እንደ ሲሊከን ካርቦራይድ (ሲሲ) ያሉ ቁሳቁሶች እንደ መለዋወጫ ብቻ ጥቅም ላይ ይውላሉ። ስለዚህ የኤፒታክሲያል ሽፋንን መቆጣጠር በሰፊ ባንድጋፕ ሴሚኮንዳክተር ኢንዱስትሪ ውስጥ ወሳኝ ነገር ነው።

ኤፒታክሲ ቴክኖሎጂ፡ ሰባት ቁልፍ ባህሪዎች

1. ኤፒታክሲስ ዝቅተኛ (ወይም ከፍተኛ) የመቋቋም ችሎታ ያለው ንጣፍ ላይ ከፍተኛ (ወይም ዝቅተኛ) የመቋቋም ችሎታ ሊያድግ ይችላል።

2. ኤፒታክሲ የ N (ወይም P) አይነት ኤፒታክሲያል ሽፋኖችን በ P (ወይም N) አይነት ንጣፎች ላይ እንዲያድግ ያስችላል, በአንድ ክሪስታል ንጣፍ ላይ የፒኤን መገናኛን ለመፍጠር ስርጭትን ሲጠቀሙ የሚነሱትን የማካካሻ ጉዳዮች በቀጥታ የ PN መገናኛን ይፈጥራል.

3. ከጭንብል ቴክኖሎጂ ጋር ሲጣመር, የተመረጠ ኤፒታክሲያል እድገት በተወሰኑ ቦታዎች ላይ ሊከናወን ይችላል, ይህም የተቀናጁ ወረዳዎችን እና ልዩ አወቃቀሮችን ያቀፈ መሳሪያዎችን ለመሥራት ያስችላል.

4. ኤፒታክሲያል እድገት የዶፒንግ ዓይነቶችን እና ትኩረቶችን ለመቆጣጠር ያስችላል, ይህም ድንገተኛ ወይም ቀስ በቀስ የማጎሪያ ለውጦችን የመምረጥ ችሎታ.

5. ኤፒታክሲ የተለያዩ፣ ባለ ብዙ ሽፋን፣ ባለብዙ ክፍል ውህዶች ከተለዋዋጭ ውህዶች ጋር፣ እጅግ በጣም ቀጭን ንብርቦችን ጨምሮ ሊያድግ ይችላል።

6. ኤፒታክሲያል እድገት ከቁሱ ማቅለጥ በታች ባለው የሙቀት መጠን ሊከሰት ይችላል, ቁጥጥር ከሚደረግ የእድገት መጠን ጋር, በንብርብር ውፍረት ውስጥ የአቶሚክ ደረጃ ትክክለኛነት እንዲኖር ያስችላል.

7. ኤፒታክሲ ወደ ክሪስታሎች መጎተት የማይችሉ እንደ ጋኤን እና ተርንሪ/ኳተርን ውሁድ ሴሚኮንዳክተሮች ያሉ ነጠላ ክሪስታል የንብርብሮች ቁሶች እንዲያድጉ ያስችላል።

የተለያዩ ኤፒታክሲያል ንብርብሮች እና ኤፒታክሲያል ሂደቶች

በማጠቃለያው የኤፒታክሲያል ንብርብቶች ከጅምላ ንጣፎች የበለጠ በቀላሉ ቁጥጥር የሚደረግበት እና ፍጹም የሆነ ክሪስታል መዋቅር ያቀርባሉ ይህም የላቀ ቁሶችን ለማዳበር ይጠቅማል።