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半导体器件的“外延层”是什么?

发布时间:2021/9/6

近日,某国高新技术企业开发了一种新型衬底材料,与GaN晶格相匹配,能很好地生长GaN。单晶制备GaN体非常困难,所以这里提到的GaN是外延层。那么为什么要有衬底和外延层呢?外延层的存在意义何在?下一步,大家将一起探索这篇文章。

外延Epitaxy这个词来自希腊字epi,意思是“…以上”,因此,普通GaNonSi的表达也很容易理解。

外延片的名称来源

首先,普及一个小概念:晶圆制备包括衬底制备和延伸工艺。衬底是由半导体单晶材料制成的晶片,可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件,也可以通过延伸工艺生产延伸片。延伸是指在经过切割、研磨、抛光等精心加工的单晶衬底上生长一层新单晶的过程。新单晶可以和衬底一样,也可以是不同的材料(同质延伸或异质延伸)。由于新单晶层根据衬底晶相延伸生长,所以称为延伸层(厚度通常为几微米,以硅为例:硅延伸生长的意义是在具有一定晶向的硅单晶衬底上生长一层,具有与衬底相同晶向的电阻率和厚度不同的晶格结构完整的晶体),而延伸的衬底称为延伸片(延伸的衬底=延伸+衬底)。如果设备在外延伸+衬底上起到支撑作用,那么在衬底上只起到外延伸作用。

同质外延和异质外延

同质性外延

与衬底相同的外延层材料:如Si/Si,GaAs/GaAs,GaP/GaP;


异质性外延

不同材料的外延层和衬底:如Si/Al2O3,GaS/Si,GaAlAs/GaAs,GaN/SiC等。

抛光晶圆

外延工艺解决了哪些问题?

只有单晶材料很难满足日益发展的各种半导体器件的生产需求。因此,薄层单晶材料的生长技术在1959年底得到了发展。延伸技术对材料的进步有什么具体的帮助?

对硅来说,硅外延生长技术开始时,真的是硅高频大功率晶体管制作遇到困难的时刻。根据晶体管的原理,为了获得高频大功率,必须做到集电区击穿电压高,串联电阻小,即饱和压降小。前一种要求集电区材料的电阻率高,后一种要求集电区材料的电阻率低,两省相互矛盾。若采用集电极区材料厚度减薄的方式,可降低串联电阻,使硅片过薄易碎,不能加工,若降低材料的电阻率,又与第一种要求相矛盾,而外延技术的发展则成功地解决了这一难题。

对策:在电阻低的衬底上生长一层高电阻率的外延层,设备生产在外延层上,这样高电阻率的外延层就能保证管道的高击穿电压,而低电阻的衬底又能降低基片的电阻,从而降低饱和压降,从而解决两者之间的矛盾。

另外,GaAs等ⅲ-v族、ⅱ-v族及其他分子化合物半导体材料的气相外延、液相外延等外延技术也有了很大的发展,已经成为许多书籍微波器件、光电器件、电力器件等制作不可或缺的技术,特别是分子束、金属有机气相外延技术在薄层、超晶格、量子圈、应变超晶格、原子级薄层外延方面的成功应用,为半导体研究的新领域能带工程的开发奠定了坚实的基础。

半导体

在实际应用中,宽禁带半导体设备几乎都是外延层,碳化硅晶片本身只是衬底,所以外延层的控制是宽禁带半导体行业的重要组成部分。

PS:epi代表在上面,taxy代表规则排列,字面意义上称为磊晶,磊晶片早期主要用于改善双极电晶体(Bipolartransitors)等部件的质量,近年来也广泛应用于BipolarIC部件和MOS工艺。

外延技术的七项技能

1.可在低(高)阻衬底上外延生长高(低)阻外延层。

2.可在P(N)型衬底上延伸生长N(P)型外延层,直接形成PN结,在单晶基片上采用扩散法制作PN结时不存在补偿问题。

3.结合掩膜技术,在指定区域选择外延生长,为集成电路和特殊结构设备的生产创造了条件。

4.可根据需要在外延生长过程中改变掺杂的种类和浓度,浓度的变化可为陡变或缓变。能生长异质、多层、多组分化合物和可变组分的超薄层。

5.外延生长可以在低于材料熔点温度的情况下进行,生长速度可以控制,原子尺寸厚度可以实现。

6.它可以生长,不能拉单晶材料,如GaN、三元和四元化合物的单晶层。

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