Эпитаксия – основы материаловедения

May 17, 2013 by admin Комментировать »

Слово эпитаксия состоит из двух греческих слов: «эпи» — «над» и «таксис» — «упорядочивание». Поэтому термин эпитаксия означает наращивание кристаллографически ориентированных монокристаллических слоев на монокристаллические подложки или друг на друга. Монокристаллическая подложка в процессе выращивания играет роль затравочного кристалла.

Можно выделить два вида эпитаксии: гомоэпитаксию (автоэпитаксию) и гетероэпитаксию.

Гомоэпитаксия — это наращивание монокристаллической пленки на подложку из того же вещества, что и пленка. Например, наращивание эпитаксиальной пленки  кремния на подложу (объемный кристалл) из монокристаллического кремния.

Гетероэпитаксия — это наращивание пленки на инородную подложку. Например, наращивание эпитаксиальной пленки PbTe на монокристаллическую подложку BaF2. Однако при гетероэпитаксии кристаллические решетки пленки и подложки должны быть подобны, а параметры решеток близки для обеспечения роста монокристаллического слоя.

Методы эпитаксиального выращивания монокристаллических пленок получили широкое распространение в технологии полупроводниковых приборов только тогда, когда научились получать пленки заданного состава, обладающие параметрами, близкими к параметрам объемных кристаллов. Можно сказать, что научно-технический прогресс в области микроминиатюризации интегральных схем в значительной мере обязан внедрению в производство методов эпитаксиальной кристаллизации. За9.1.  Эпитаксия                                                                                                321

Рис. 9.1. Схемы окрестностей p n-перехода в случаях диффузионного (а) и  эпитаксиального (б) легирования. При создании p n-перехода методом диффузии примесей в кристалл по обе стороны от перехода располагаются довольно широкие области сильно скомпенсированного материала.

мена объемных кристаллов эпитаксиальными пленками позволила повысить выход годных приборов, сократить длительность операций, снизить их себестоимость.

К основным преимуществам эпитаксиальной технологии можно отнести следующие преимущества.

Эпитаксиальное наращивание полупроводниковых пленок осуществляется, как правило, при температурах более низких, чем температуры получения объемных монокристаллов. При этом упрощается контроль за процессом кристаллизации и обеспечивается лучшая воспроизводимость свойств. Понижение температуры роста сопровождается замедлением диффузии примесей (в том числе и загрязняющих) в процессе получения эпитаксиальных пленок. В итоге улучшаются выходные параметры полупроводниковых материалов.

Эпитаксиальные методы роста позволяют достаточно просто осуществлять легирование монокристаллических пленок непосредственно в процессе их выращивания, обеспечивают однородное распределение легирующих элементов в пленках, дают возможность выращивать резкие p n-перехода со скачкообразно меняющейся концентрацией (рис. 9.1,б).

Применение эпитаксиальных слоев на подложке предоставляет разработчику приборов возможность изменения профиля легирования в изготовляемой структуре в гораздо более широких пределах, чем это возможно при использовании диффузии или ионной имплантации.

Существенной особенностью эпитаксиального наращивания из газообразной фазы является возможность осаждения чистого материала на сильно легированных подложках. Такая возможность чрезвычайно важна для производства полупроводниковых квантовых генераторов света (лазеров). С другой стороны, для ряда приложений (например, для изготовления транзисторов) необходимы тонкие эпитаксиальные слои полупроводниковых соединений на высокоомных подложках. Эпитаксиальные методы позволяют это довольно просто реализовать.

Использование эпитаксиальных пленок в электронной промышленности позволило существенно улучшить характеристики туннельных и лазерных диодов,1 разработать технологию получения транзисторов с высоким коэффициентом усиления на высоких частотах,2 мощных и высоковольтных транзисторов. На применении эпитаксиальных слоев основано производство таких приборов, как планарные полевые транзисторы, выполненные на структуре металл–окисел–полупроводник с изоляцией V-образными канавками (V-МОП). Эпитаксиальные структуры также используются для улучшения характеристик памяти с произвольным доступом и комплементарных интегральных МОП-схем. Новые перспективы в технике открыло применение эпитаксиальных гетероструктур, создание которых другими методами затруднено, в полупроводниковых приборах (например, для изготовления инжекционных лазеров). Кроме того, эпитаксия дает возможность получения многослойных структур со свойствами каждого слоя, практически не зависящими от свойств предыдущего слоя. Это открывает широкие возможности для разработки качественно новых типов электронных приборов.

Следует отметить, что интенсивная разработка технологических методов тонкопленочной эпитаксии, обеспечивающих прецизионное управление процессом роста и контроль качества получаемых структур, позволила совершить качественный скачок в развитии физики полупроводников. История развития физики полупроводников такова, что если основными объектами исследования лет 30 назад были монокристаллы, а лет 15 назад — эпитаксиальные пленки, то сейчас — это многослойные гетероструктуры, сверхрешетки, структуры с квантовыми нитями и точками.

Действительно, в ходе исследования свойств очень тонких пленок был обнаружен ряд новых интересных физических эффектов, которые откры

1Известно, что во многих оптоэлектронных приборах «объем» кристалла часто играет роль балласта,  уменьшающего интенсивность выходящего  излучения из-за оптического поглощения и рекомбинации. Отсюда естественное стремление уменьшить этот объем.

2 Стремление к увеличению напряжения пробоя база-коллектор при формировании транзистора в объеме кремния требовало применения материала с высоким удельным сопротивлением, что при большой толщине кремния приводило к чрезмерному увеличению сопротивления коллектора, вело к увеличению рассеиваемой мощности и уменьшению коэффициента усиления. Использование высокоомных эпитаксиальных слоев на подложках с низким удельным сопротивлением позволило решить эти проблемы. Таким же образом были решены аналогичные проблемы и при производстве биполярных интегральных схем.

ли возможность создания принципиально нового класса полупроводниковых приборов — приборов, разработанных на основе свойств структур с квантовыми ямами. Не удивительно, что в настоящее время структуры с квантовыми ямами, нитями, точками являются одними из наиболее интенсивно исследуемых объектов в физике полупроводников, а характеристика стран как «технологических держав» в значительной мере определяется именно уровнем развития технологии получения таких структур.

В настоящей главе будут рассмотрены основы существующих представлений о первых стадиях зарождения и дальнейшем росте эпитаксиальных пленок из газообразных фаз, а также некоторые методы эпитаксиального наращивания тонких слоев полупроводников, включая и жидкостную эпитаксию.

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты