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    半導體器件的“外延層”是什么?

    發布時間:2021/9/6

    近日,某國高新技術企業開發了一種新型襯底材料,與GaN晶格相匹配,能很好地生長GaN。單晶制備GaN體非常困難,所以這里提到的GaN是外延層。那么為什么要有襯底和外延層呢?外延層的存在意義何在?下一步,我們將一起探索這篇文章。

    外延Epitaxy這個詞來自希臘字epi,意思是“…以上”,因此,普通GaNonSi的表達也很容易理解。

    外延片的名稱來源

    首先,普及一個小概念:晶圓制備包括襯底制備和延伸工藝。襯底是由半導體單晶材料制成的晶片,可以直接進入晶圓制造環節生產半導體器件,也可以通過延伸工藝生產延伸片。延伸是指在經過切割、研磨、拋光等精心加工的單晶襯底上生長一層新單晶的過程。新單晶可以和襯底一樣,也可以是不同的材料(同質延伸或異質延伸)。由于新單晶層根據襯底晶相延伸生長,所以稱為延伸層(厚度通常為幾微米,以硅為例:硅延伸生長的意義是在具有一定晶向的硅單晶襯底上生長一層,具有與襯底相同晶向的電阻率和厚度不同的晶格結構完整的晶體),而延伸的襯底稱為延伸片(延伸的襯底=延伸+襯底)。如果設備在外延伸+襯底上起到支撐作用,那么在襯底上只起到外延伸作用。

    同質外延和異質外延

    同質性外延

    與襯底相同的外延層材料:如Si/Si,GaAs/GaAs,GaP/GaP;


    異質性外延

    不同材料的外延層和襯底:如Si/Al2O3,GaS/Si,GaAlAs/GaAs,GaN/SiC等。

    拋光晶圓

    外延工藝解決了哪些問題?

    只有單晶材料很難滿足日益發展的各種半導體器件的生產需求。因此,薄層單晶材料的生長技術在1959年底得到了發展。延伸技術對材料的進步有什么具體的幫助?

    對硅來說,硅外延生長技術開始時,真的是硅高頻大功率晶體管制作遇到困難的時刻。根據晶體管的原理,為了獲得高頻大功率,必須做到集電區擊穿電壓高,串聯電阻小,即飽和壓降小。前一種要求集電區材料的電阻率高,后一種要求集電區材料的電阻率低,兩省相互矛盾。若采用集電極區材料厚度減薄的方式,可降低串聯電阻,使硅片過薄易碎,不能加工,若降低材料的電阻率,又與第一種要求相矛盾,而外延技術的發展則成功地解決了這一難題。

    對策:在電阻低的襯底上生長一層高電阻率的外延層,設備生產在外延層上,這樣高電阻率的外延層就能保證管道的高擊穿電壓,而低電阻的襯底又能降低基片的電阻,從而降低飽和壓降,從而解決兩者之間的矛盾。

    另外,GaAs等ⅲ-v族、ⅱ-v族及其他分子化合物半導體材料的氣相外延、液相外延等外延技術也有了很大的發展,已經成為許多書籍微波器件、光電器件、電力器件等制作不可或缺的技術,特別是分子束、金屬有機氣相外延技術在薄層、超晶格、量子圈、應變超晶格、原子級薄層外延方面的成功應用,為半導體研究的新領域能帶工程的開發奠定了堅實的基礎。

    半導體

    在實際應用中,寬禁帶半導體設備幾乎都是外延層,碳化硅晶片本身只是襯底,所以外延層的控制是寬禁帶半導體行業的重要組成部分。

    PS:epi代表在上面,taxy代表規則排列,字面意義上稱為磊晶,磊晶片早期主要用于改善雙極電晶體(Bipolartransitors)等部件的質量,近年來也廣泛應用于BipolarIC部件和MOS工藝。

    外延技術的七項技能

    1.可在低(高)阻襯底上外延生長高(低)阻外延層。

    2.可在P(N)型襯底上延伸生長N(P)型外延層,直接形成PN結,在單晶基片上采用擴散法制作PN結時不存在補償問題。

    3.結合掩膜技術,在指定區域選擇外延生長,為集成電路和特殊結構設備的生產創造了條件。

    4.可根據需要在外延生長過程中改變摻雜的種類和濃度,濃度的變化可為陡變或緩變。能生長異質、多層、多組分化合物和可變組分的超薄層。

    5.外延生長可以在低于材料熔點溫度的情況下進行,生長速度可以控制,原子尺寸厚度可以實現。

    6.它可以生長,不能拉單晶材料,如GaN、三元和四元化合物的單晶層。

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