Слово «эпитаксия» происходит от греческого слова «epi», что означает «наверху». Из этого слова легко понять распространённое выражение «gan on si», которое представляет собой структуру нитрида галлия на кремниевой подложке. В процессе изготовления полупроводниковых материалов подготовка пластин является ключевым звеном, которое в основном включает два ключевых этапа: подготовку подложки и процесс эпитаксии. Подложка представляет собой пластину, тщательно изготовленную из полупроводниковых монокристаллических материалов. Она подобна краеугольному камню здания и играет важнейшую базовую вспомогательную роль в производстве полупроводниковых приборов. С одной стороны, подложка может напрямую поступать на этап изготовления пластин для производства различных полупроводниковых приборов; с другой стороны, она также может быть использована в качестве основы для процесса эпитаксии для получения эпитаксиальных пластин.

Эпитаксия — чрезвычайно деликатный и ответственный процесс. Это процесс выращивания нового слоя монокристалла на монокристаллической подложке, прошедшей ряд тонких стадий обработки, таких как резка, шлифовка и полировка. Между этим вновь выращенным монокристаллом и подложкой существуют два различных соотношения. Одно из них заключается в том, что новый монокристалл и подложка изготовлены из одного и того же материала, что называется гомоэпитаксиальным ростом; другое — в том, что новый монокристалл и подложка изготовлены из разных материалов, что называется гетероэпитаксиальным ростом. Поскольку этот новый монокристаллический слой вытянут и выращен в направлении кристаллической фазы подложки, его образно называют эпитаксиальным слоем. Его толщина обычно относительно мала, как правило, несколько микрометров.

Если взять кремний в качестве примера, то значение эпитаксиального роста кремния заключается в том, что слой кристалла с той же ориентацией кристалла, что и подложка, но другим удельным сопротивлением и толщиной, а также хорошей целостностью структуры решетки выращивается на подложке из монокристалла кремния с определенной ориентацией кристалла. Когда эпитаксиальный слой успешно выращен на подложке, целое называется эпитаксиальной пластиной. Проще говоря, эпитаксиальная пластина = эпитаксиальный слой + подложка. В реальном производстве полупроводниковых приборов, если устройство изготовлено на эпитаксиальном слое, мы называем это положительной эпитаксией; если устройство изготовлено на подложке, это называется обратной эпитаксией. В этом случае эпитаксиальный слой в основном играет вспомогательную роль. Давайте подробнее рассмотрим разницу между гомоэпитаксией и гетероэпитаксией. При гомогенной эпитаксии эпитаксиальный слой и подложка изготавливаются из одного и того же материала, например, распространенного si/si (кремний/кремний), gaas/gaas (арсенид галлия/арсенид галлия), gap/gap (фосфид галлия/фосфид галлия) и других комбинаций. При гетерогенной эпитаксии эпитаксиальный слой и подложка изготавливаются из разных материалов, например, si/al2o3 (кремний/оксид алюминия), gas/si (сульфид галлия/кремний), gaalas/gaas (галлий-алюминиевый мышьяк/арсенид галлия), gan/sic (нитрид галлия/карбид кремния) и т. д.

Итак, какие ключевые проблемы решает эпитаксиальный процесс в области полупроводниковых материалов? С непрерывным развитием полупроводниковой технологии простые объемные монокристаллические материалы становятся все более трудными для удовлетворения потребностей все более разнообразного и сложного производства полупроводниковых приборов. Именно в этом контексте в конце 1959 года появилась технология выращивания тонкослойных монокристаллических материалов - технология эпитаксиального роста. Если взять в качестве примера кремний, то когда технология эпитаксиального роста кремния только зарождалась, производство кремниевых высокочастотных и мощных транзисторов сталкивалось с огромными трудностями. С точки зрения основных принципов работы транзисторов, для получения высокочастотных и высокопроизводительных характеристик необходимо одновременно выполнить два, казалось бы, противоречивых требования: с одной стороны, напряжение пробоя области коллектора должно быть высоким, что требует, чтобы материал области коллектора имел высокое удельное сопротивление; с другой стороны, последовательное сопротивление должно быть малым, то есть падение напряжения насыщения должно быть малым, что, в свою очередь, требует, чтобы материал области коллектора имел низкое удельное сопротивление. Если последовательное сопротивление уменьшить простым утончением материала коллекторной области, кремниевая пластина станет слишком тонкой и ее будет легко сломать, что сделает невозможной последующую обработку; если же удельное сопротивление материала уменьшить, то это вступит в противоречие с требованием высокого пробивного напряжения. Появление эпитаксиальной технологии успешно решило эту проблему, которая долгое время преследовала отрасль.

Конкретное решение заключается в выращивании высокоомного эпитаксиального слоя на подложке с чрезвычайно низким сопротивлением, а затем в изготовлении устройства на эпитаксиальном слое. Таким образом, высокоомный эпитаксиальный слой может гарантировать, что трубка имеет высокое напряжение пробоя, а низкоомная подложка эффективно снижает сопротивление подложки, тем самым уменьшая падение напряжения насыщения, идеально разрешая конфликт между этими двумя противоречивыми требованиями. Кроме того, не только технология кремниевой эпитаксии, но и такие технологии эпитаксии, как парофазная эпитаксия и жидкофазная эпитаксия полупроводниковых материалов III-V, II-VI и других молекулярных соединений, таких как GaAs, достигли большого прогресса.

Сегодня эти технологии эпитаксии стали незаменимыми ключевыми технологическими процессами в производстве большинства микроволновых устройств, оптоэлектронных устройств, устройств питания и т.д. В частности, технологии молекулярно-лучевой эпитаксии и парофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОЭ), их успешное применение в тонкослойной, сверхрешеточной, квантово-ямной, напряженной сверхрешеточной и атомно-тонкослойной эпитаксии заложило прочную основу для развития новой области исследований полупроводников — «зонной инженерии». В практическом применении широкозонные полупроводниковые приборы практически все изготавливаются на эпитаксиальном слое, в то время как сами пластины карбида кремния обычно используются только в качестве подложек. Это наглядно демонстрирует, что контроль эпитаксиального слоя занимает центральное место в широкозонной полупроводниковой промышленности и является важной частью развития всей отрасли. Для лучшего понимания значения термина «эпитаксия» приведем информацию с официального сайта Formosa Plastics. «Epi» означает «выше», а «taxy» — «регулярное расположение». от буквального значения «эпитаксиальный» также называется «эпитаксиальный». Вначале эпитаксиальные пластины в основном использовались для улучшения качества таких компонентов, как биполярные транзисторы.

Благодаря постоянному совершенствованию технологий в последние годы она также широко применяется в биполярных интегральных схемах и МОП-процессах. Причина, по которой эпитаксиальная технология так важна в области полупроводниковых материалов, заключается в том, что она обладает семью уникальными особенностями.

во-первых, он позволяет эпитаксиально выращивать эпитаксиальные слои с высоким (низким) сопротивлением на подложках с низким (высоким) сопротивлением, и, таким образом, электрические свойства материала можно гибко регулировать в соответствии с потребностями различных устройств.

во-вторых, он позволяет эпитаксиально выращивать эпитаксиальные слои n(p)-типа на подложках p(n)-типа для непосредственного формирования p-n-переходов. Этот метод позволяет избежать проблемы компенсации, которая может возникнуть при изготовлении p-n-переходов на монокристаллических подложках методом диффузии, и значительно улучшает качество и производительность p-n-переходов.

в-третьих, эпитаксиальная технология сочетается с масочной технологией для избирательного эпитаксиального роста в заданных областях. Эта особенность создает чрезвычайно благоприятные условия для производства интегральных схем и приборов со специальными структурами, делая проектирование и производство полупроводниковых приборов более гибкими и разнообразными.

В-четвертых, в процессе эпитаксиального роста тип и концентрацию легирования можно менять в соответствии с реальными потребностями. Более того, изменение концентрации может быть как резким, так и постепенным. Такая возможность точного контроля легирования имеет решающее значение для оптимизации характеристик полупроводниковых приборов.

в-пятых, эпитаксиальная технология позволяет выращивать гетерогенные, многослойные и многокомпонентные соединения, а также достигать выращивания сверхтонких слоев с переменным составом компонентов. Это обеспечивает богатый выбор материалов и пространство для структурного проектирования для производства высокопроизводительных многофункциональных полупроводниковых приборов.

в-шестых, эпитаксиальный рост может осуществляться при температуре ниже точки плавления материала, а скорость роста контролируется. Что еще более важно, можно достичь эпитаксиального роста атомных толщин, что позволяет производить полупроводниковые приборы с чрезвычайно высокими уровнями точности и производительности.

в-седьмых, эпитаксиальная технология позволяет выращивать некоторые монокристаллические слои, которые невозможно получить традиционными методами вытягивания, такие как гетерогенные, тройные и четверные соединения. Это значительно расширяет типы и область применения полупроводниковых материалов и открывает больше возможностей для инновационного развития полупроводниковой технологии.

Подводя итог, можно сказать, что подложка и эпитаксиальный слой имеют четкое разделение труда и играют незаменимую роль в полупроводниковых материалах. Существование эпитаксиального слоя не только решает многие проблемы при производстве полупроводниковых приборов, но и обеспечивает мощную поддержку постоянным инновациям и развитию полупроводниковой технологии. С непрерывным прогрессом полупроводниковой технологии эпитаксиальная технология будет продолжать совершенствоваться и развиваться, предоставляя нам больше полупроводниковых приборов с превосходными характеристиками и мощными функциями.