Por qué los dispositivos semiconductores requieren una "capa epitaxial"

Origen del nombre “Oblea epitaxial”

La preparación de la oblea consta de dos pasos principales: preparación del sustrato y proceso epitaxial. El sustrato está hecho de material semiconductor monocristalino y normalmente se procesa para producir dispositivos semiconductores. También puede sufrir un procesamiento epitaxial para formar una oblea epitaxial. La epitaxia se refiere al proceso de hacer crecer una nueva capa monocristalina sobre un sustrato monocristalino cuidadosamente procesado. El nuevo monocristal puede ser del mismo material que el sustrato (epitaxia homogénea) o de un material diferente (epitaxia heterogénea). Dado que la nueva capa cristalina crece alineada con la orientación cristalina del sustrato, se denomina capa epitaxial. La oblea con la capa epitaxial se denomina oblea epitaxial (oblea epitaxial = capa epitaxial + sustrato). Los dispositivos fabricados sobre la capa epitaxial se denominan “epitaxia directa”, mientras que los dispositivos fabricados sobre el sustrato se denominan “epitaxia inversa”, donde la capa epitaxial sirve sólo como soporte.

Epitaxia homogénea y heterogénea

▪Epitaxia Homogénea:La capa epitaxial y el sustrato están hechos del mismo material: por ejemplo, Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Epitaxia heterogénea:La capa epitaxial y el sustrato están hechos de diferentes materiales: por ejemplo, Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC, etc.

Obleas pulidas

¿Qué problemas resuelve la epitaxia?

Los materiales monocristalinos a granel por sí solos son insuficientes para satisfacer las demandas cada vez más complejas de la fabricación de dispositivos semiconductores. Por lo tanto, a finales de 1959, se desarrolló la técnica de crecimiento de material monocristalino fino conocida como epitaxia. Pero, ¿cómo ayudó específicamente la tecnología epitaxial al avance de los materiales? Para el silicio, el desarrollo de la epitaxia del silicio se produjo en un momento crítico en el que la fabricación de transistores de silicio de alta frecuencia y potencia enfrentaba importantes dificultades. Desde la perspectiva de los principios del transistor, lograr alta frecuencia y potencia requiere que el voltaje de ruptura de la región del colector sea alto y la resistencia en serie sea baja, lo que significa que el voltaje de saturación debe ser pequeño. El primero requiere una alta resistividad en el material del colector, mientras que el segundo requiere una baja resistividad, lo que crea una contradicción. Reducir el espesor de la región colectora para reducir la resistencia en serie haría que la oblea de silicio fuera demasiado delgada y frágil para su procesamiento, y reducir la resistividad entraría en conflicto con el primer requisito. El desarrollo de la tecnología epitaxial resolvió con éxito este problema. La solución fue hacer crecer una capa epitaxial de alta resistividad sobre un sustrato de baja resistividad. El dispositivo está fabricado sobre la capa epitaxial, lo que garantiza el alto voltaje de ruptura del transistor, mientras que el sustrato de baja resistividad reduce la resistencia de la base y disminuye el voltaje de saturación, resolviendo la contradicción entre los dos requisitos.

Además, las tecnologías epitaxiales para semiconductores compuestos III-V y II-VI, como GaAs, GaN y otros, incluida la epitaxia en fase de vapor y en fase líquida, han experimentado avances significativos. Estas tecnologías se han vuelto esenciales para la fabricación de muchos dispositivos de microondas, optoelectrónicos y de potencia. En particular, técnicas como la epitaxia de haz molecular (MBE) y la deposición química de vapor organometálico (MOCVD) se han aplicado con éxito a capas delgadas, superredes, pozos cuánticos, superredes tensadas y capas epitaxiales delgadas a escala atómica, sentando una base sólida para el desarrollo de nuevos campos de semiconductores como la “ingeniería de bandas”.

En aplicaciones prácticas, la mayoría de los dispositivos semiconductores de banda prohibida ancha se fabrican en capas epitaxiales, y se utilizan materiales como el carburo de silicio (SiC) únicamente como sustratos. Por lo tanto, controlar la capa epitaxial es un factor crítico en la industria de semiconductores de banda ancha.

Tecnología epitaxia: siete características clave

1. La epitaxia puede desarrollar una capa de resistividad alta (o baja) sobre un sustrato de resistividad baja (o alta).

2. La epitaxia permite el crecimiento de capas epitaxiales tipo N (o P) sobre sustratos tipo P (o N), formando directamente una unión PN sin los problemas de compensación que surgen cuando se usa difusión para crear una unión PN en un sustrato monocristalino.

3. Cuando se combina con la tecnología de máscaras, se puede realizar un crecimiento epitaxial selectivo en áreas específicas, lo que permite la fabricación de circuitos integrados y dispositivos con estructuras especiales.

4. El crecimiento epitaxial permite el control de los tipos y concentraciones de dopaje, con la capacidad de lograr cambios abruptos o graduales en la concentración.

5. La epitaxia puede producir compuestos heterogéneos, de múltiples capas y de múltiples componentes con composiciones variables, incluidas capas ultrafinas.

6. El crecimiento epitaxial puede ocurrir a temperaturas por debajo del punto de fusión del material, con una tasa de crecimiento controlable, lo que permite una precisión a nivel atómico en el espesor de la capa.

7. La epitaxia permite el crecimiento de capas monocristalinas de materiales que no pueden convertirse en cristales, como el GaN y los semiconductores compuestos ternarios/cuaternarios.

Varias capas epitaxiales y procesos epitaxiales.

En resumen, las capas epitaxiales ofrecen una estructura cristalina perfecta y más fácilmente controlada que los sustratos a granel, lo que resulta beneficioso para el desarrollo de materiales avanzados.