لماذا تتطلب أجهزة أشباه الموصلات "طبقة فوق محورية"

أصل الاسم "الرقاقة الفوقية"

يتكون تحضير الرقاقة من خطوتين رئيسيتين: تحضير الركيزة والعملية الفوقي. تتكون الركيزة من مادة بلورية أحادية أشباه الموصلات وتتم معالجتها عادةً لإنتاج أجهزة أشباه الموصلات. ويمكن أيضًا أن يخضع للمعالجة الفوقي لتشكيل رقاقة الفوقي. يشير Epitaxy إلى عملية زراعة طبقة بلورية مفردة جديدة على ركيزة بلورية مفردة تمت معالجتها بعناية. يمكن أن تكون البلورة المفردة الجديدة من نفس مادة الركيزة (النضوج المتجانس) أو مادة مختلفة (النضوج غير المتجانس). وبما أن الطبقة البلورية الجديدة تنمو بالتوافق مع الاتجاه البلوري للركيزة، فإنها تسمى الطبقة الفوقي. يشار إلى الرقاقة ذات الطبقة الفوقي على أنها رقاقة الفوقي (الرقاقة الفوقي = الطبقة الفوقي + الركيزة). تُسمى الأجهزة المُصنعة على الطبقة الفوقية بـ "الفوق الفوقي الأمامي"، في حين يُشار إلى الأجهزة المُصنعة على الركيزة باسم "الفوق الفوقي العكسي"، حيث تعمل الطبقة الفوقية كدعم فقط.

النفوق المتجانس وغير المتجانس

▪صفة متجانسة:الطبقة الفوقية والركيزة مصنوعة من نفس المادة: على سبيل المثال، Si/Si، GaAs/GaAs، GaP/GaP.

▪صفة غير متجانسة:تتكون الطبقة الفوقية والركيزة من مواد مختلفة: على سبيل المثال، Si/Al₂O₃، GaS/Si، GaAlAs/GaAs، GaN/SiC، إلخ.

رقائق مصقولة

ما هي المشاكل التي يحلها Epitaxy؟

المواد البلورية المفردة السائبة وحدها غير كافية لتلبية المتطلبات المتزايدة التعقيد لتصنيع أجهزة أشباه الموصلات. لذلك، في أواخر عام 1959، تم تطوير تقنية نمو المادة البلورية المفردة الرقيقة المعروفة باسم النفوق. ولكن كيف ساعدت التكنولوجيا الفوقي على وجه التحديد في تقدم المواد؟ بالنسبة للسيليكون، حدث تطوير تنضيد السيليكون في وقت حرج عندما واجه تصنيع ترانزستورات السيليكون عالية التردد وعالية الطاقة صعوبات كبيرة. من منظور مبادئ الترانزستور، يتطلب تحقيق التردد العالي والطاقة أن يكون جهد الانهيار في منطقة المجمع مرتفعًا، وتكون مقاومة السلسلة منخفضة، مما يعني أن جهد التشبع يجب أن يكون صغيرًا. الأول يتطلب مقاومة عالية في مادة المجمع، في حين أن الأخير يتطلب مقاومة منخفضة، مما يخلق تناقضا. إن تقليل سمك منطقة المجمع لتقليل المقاومة المتسلسلة من شأنه أن يجعل رقاقة السيليكون رقيقة جدًا وهشة للمعالجة، كما أن خفض المقاومة قد يتعارض مع المتطلب الأول. لقد نجح تطوير التكنولوجيا الفوقي في حل هذه المشكلة بنجاح. كان الحل هو تنمية طبقة فوقية ذات مقاومة عالية على ركيزة منخفضة المقاومة. تم تصنيع الجهاز على الطبقة الفوقية، مما يضمن جهد انهيار عالي للترانزستور، في حين أن الركيزة ذات المقاومة المنخفضة تقلل من مقاومة القاعدة وتخفض جهد التشبع، مما يحل التناقض بين المتطلبين.

بالإضافة إلى ذلك، شهدت التقنيات الفوقية لأشباه الموصلات المركبة III-V وII-VI مثل GaAs وGan وغيرها، بما في ذلك الطور البخاري والطور السائل، تطورات كبيرة. أصبحت هذه التقنيات ضرورية لتصنيع العديد من أجهزة الميكروويف والإلكترونيات الضوئية وأجهزة الطاقة. على وجه الخصوص، تم تطبيق تقنيات مثل تنضيد الشعاع الجزيئي (MBE) وترسيب البخار الكيميائي المعدني العضوي (MOCVD) بنجاح على الطبقات الرقيقة، والشبكات الفائقة، والآبار الكمومية، والشبكات الفائقة المتوترة، والطبقات الفوقية الرقيقة على المستوى الذري، مما وضع أساسًا متينًا لـ تطوير مجالات جديدة لأشباه الموصلات مثل "هندسة النطاقات".

في التطبيقات العملية، يتم تصنيع معظم أجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة على طبقات الفوقي، مع استخدام مواد مثل كربيد السيليكون (SiC) فقط كركائز. لذلك، يعد التحكم في الطبقة الفوقي عاملاً حاسماً في صناعة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة.

تقنية Epitaxy: سبع ميزات رئيسية

1. يمكن أن تنمو طبقة مقاومة عالية (أو منخفضة) على ركيزة مقاومة منخفضة (أو عالية).

2. يسمح Epitaxy بنمو الطبقات الفوقية من النوع N (أو P) على ركائز من النوع P (أو N)، مما يشكل مباشرة تقاطع PN دون مشاكل التعويض التي تنشأ عند استخدام الانتشار لإنشاء تقاطع PN على ركيزة بلورية واحدة.

3. عند دمجها مع تقنية القناع، يمكن إجراء نمو فوقي انتقائي في مناطق محددة، مما يتيح تصنيع دوائر وأجهزة متكاملة ذات هياكل خاصة.

4. يسمح النمو الفوقي بالتحكم في أنواع المنشطات وتراكيزها، مع القدرة على تحقيق تغيرات مفاجئة أو تدريجية في التركيز.

5. يمكن أن تنمو مركبات Epitaxy غير متجانسة ومتعددة الطبقات ومتعددة المكونات بتركيبات متغيرة، بما في ذلك طبقات رقيقة جدًا.

6. يمكن أن يحدث النمو الفوقي عند درجات حرارة أقل من نقطة انصهار المادة، مع معدل نمو يمكن التحكم فيه، مما يسمح بدقة المستوى الذري في سمك الطبقة.

7. يتيح Epitaxy نمو طبقات بلورية مفردة من المواد التي لا يمكن سحبها إلى بلورات، مثل GaN وأشباه الموصلات المركبة الثلاثية/الرباعية.

طبقات الفوقي المختلفة والعمليات الفوقي

باختصار، توفر الطبقات الفوقي بنية بلورية مثالية ويمكن التحكم فيها بسهولة أكبر من الركائز السائبة، وهو أمر مفيد لتطوير المواد المتقدمة.