Warum Halbleiterbauelemente eine „Epitaxieschicht“ benötigen

Ursprung des Namens „Epitaxie-Wafer“

Die Wafervorbereitung besteht aus zwei Hauptschritten: Substratvorbereitung und Epitaxieprozess. Das Substrat besteht aus Halbleiter-Einkristallmaterial und wird typischerweise zur Herstellung von Halbleiterbauelementen verarbeitet. Es kann auch einer epitaktischen Bearbeitung unterzogen werden, um einen epitaktischen Wafer zu bilden. Unter Epitaxie versteht man den Prozess des Züchtens einer neuen Einkristallschicht auf einem sorgfältig bearbeiteten Einkristallsubstrat. Der neue Einkristall kann aus dem gleichen Material wie das Substrat (homogene Epitaxie) oder einem anderen Material (heterogene Epitaxie) bestehen. Da die neue Kristallschicht entsprechend der Kristallorientierung des Substrats wächst, wird sie Epitaxieschicht genannt. Der Wafer mit der Epitaxieschicht wird als Epitaxiewafer bezeichnet (Epitaxiewafer = Epitaxieschicht + Substrat). Auf der Epitaxieschicht hergestellte Bauelemente werden als „Vorwärtsepitaxie“ bezeichnet, während auf dem Substrat hergestellte Bauelemente als „Rückwärtsepitaxie“ bezeichnet werden, bei denen die Epitaxieschicht nur als Träger dient.

Homogene und heterogene Epitaxie

▪Homogene Epitaxie:Die Epitaxieschicht und das Substrat bestehen aus demselben Material: z. B. Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Heterogene Epitaxie:Die Epitaxieschicht und das Substrat bestehen aus unterschiedlichen Materialien: z. B. Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC usw.

Polierte Waffeln

Welche Probleme löst Epitaxie?

Einkristalline Massenmaterialien allein reichen nicht aus, um die immer komplexer werdenden Anforderungen bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen zu erfüllen. Aus diesem Grund wurde Ende 1959 die als Epitaxie bekannte Technik zum Züchten dünner Einkristallmaterialien entwickelt. Doch wie hat die Epitaxietechnik konkret zur Materialentwicklung beigetragen? Für Silizium erfolgte die Entwicklung der Siliziumepitaxie zu einem kritischen Zeitpunkt, als die Herstellung von Hochfrequenz- und Hochleistungs-Siliziumtransistoren mit erheblichen Schwierigkeiten konfrontiert war. Aus Sicht der Transistorprinzipien erfordert das Erreichen hoher Frequenzen und Leistungen, dass die Durchbruchspannung des Kollektorbereichs hoch und der Serienwiderstand niedrig ist, was bedeutet, dass die Sättigungsspannung klein sein sollte. Ersteres erfordert einen hohen spezifischen Widerstand im Kollektormaterial, während letzteres einen niedrigen spezifischen Widerstand erfordert, was einen Widerspruch schafft. Eine Verringerung der Dicke des Kollektorbereichs zur Verringerung des Serienwiderstands würde den Siliziumwafer zu dünn und zerbrechlich für die Verarbeitung machen, und eine Verringerung des spezifischen Widerstands stünde im Widerspruch zur ersten Anforderung. Die Entwicklung der Epitaxietechnologie hat dieses Problem erfolgreich gelöst. Die Lösung bestand darin, eine Epitaxieschicht mit hohem spezifischem Widerstand auf einem Substrat mit niedrigem spezifischem Widerstand wachsen zu lassen. Das Bauelement wird auf der Epitaxieschicht hergestellt und stellt so die hohe Durchbruchspannung des Transistors sicher, während das Substrat mit niedrigem Widerstand den Basiswiderstand verringert und die Sättigungsspannung senkt, wodurch der Widerspruch zwischen den beiden Anforderungen gelöst wird.

Darüber hinaus wurden bei den Epitaxietechnologien für III-V- und II-VI-Verbindungshalbleiter wie GaAs, GaN und andere, einschließlich der Dampfphasen- und Flüssigphasenepitaxie, erhebliche Fortschritte erzielt. Diese Technologien sind für die Herstellung vieler Mikrowellen-, optoelektronischer und Leistungsgeräte unverzichtbar geworden. Insbesondere Techniken wie Molekularstrahlepitaxie (MBE) und metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) wurden erfolgreich auf dünne Schichten, Übergitter, Quantentöpfe, gespannte Übergitter und dünne epitaktische Schichten im atomaren Maßstab angewendet und eine solide Grundlage dafür gelegt die Entwicklung neuer Halbleiterfelder wie „Band Engineering“.

In praktischen Anwendungen werden die meisten Halbleiterbauelemente mit großer Bandlücke auf Epitaxieschichten hergestellt, wobei Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) ausschließlich als Substrate verwendet werden. Daher ist die Kontrolle der Epitaxieschicht ein entscheidender Faktor in der Halbleiterindustrie mit großer Bandlücke.

Epitaxie-Technologie: Sieben Hauptmerkmale

1. Durch Epitaxie kann eine Schicht mit hohem (oder niedrigem) spezifischem Widerstand auf einem Substrat mit niedrigem (oder hohem) spezifischem Widerstand wachsen gelassen werden.

2. Epitaxie ermöglicht das Wachstum von Epitaxieschichten vom Typ N (oder P) auf Substraten vom Typ P (oder N) und bildet direkt einen PN-Übergang ohne die Kompensationsprobleme, die bei der Verwendung von Diffusion zur Erzeugung eines PN-Übergangs auf einem Einkristallsubstrat auftreten.

3. In Kombination mit der Maskentechnologie kann in bestimmten Bereichen ein selektives epitaktisches Wachstum durchgeführt werden, was die Herstellung integrierter Schaltkreise und Geräte mit speziellen Strukturen ermöglicht.

4. Epitaktisches Wachstum ermöglicht die Kontrolle von Dotierungsarten und -konzentrationen mit der Möglichkeit, abrupte oder allmähliche Konzentrationsänderungen zu erreichen.

5. Durch Epitaxie können heterogene, mehrschichtige Mehrkomponentenverbindungen mit variabler Zusammensetzung, einschließlich ultradünner Schichten, gezüchtet werden.

6. Epitaktisches Wachstum kann bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts des Materials mit einer kontrollierbaren Wachstumsrate erfolgen, was eine Präzision der Schichtdicke auf atomarer Ebene ermöglicht.

7. Epitaxie ermöglicht das Wachstum einkristalliner Schichten aus Materialien, die nicht in Kristalle gezogen werden können, wie z. B. GaN und ternäre/quartäre Verbindungshalbleiter.

Verschiedene Epitaxieschichten und Epitaxieprozesse

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Epitaxieschichten eine leichter kontrollierbare und perfektere Kristallstruktur bieten als Massensubstrate, was für die Entwicklung fortschrittlicher Materialien von Vorteil ist.