La palabra epitaxia proviene del griego "epi", que significa "sobre...". De este origen, podemos comprender fácilmente la expresión común "gan on si", que se refiere a la estructura del nitruro de galio sobre un sustrato de silicio. En el proceso de preparación de materiales semiconductores, la preparación de obleas es un paso fundamental, que consta principalmente de dos pasos clave: la preparación del sustrato y el proceso de epitaxia. El sustrato es una oblea cuidadosamente elaborada con materiales semiconductores monocristalinos. Es como la piedra angular de un edificio y desempeña un papel fundamental en la fabricación de dispositivos semiconductores. Por un lado, el sustrato puede entrar directamente en la fabricación de obleas para la producción de diversos dispositivos semiconductores; por otro lado, también puede utilizarse como base para el proceso de epitaxia para producir obleas epitaxiales.

La epitaxia es un proceso extremadamente delicado y crítico. Se refiere al proceso de crecimiento de una nueva capa de monocristal sobre un sustrato monocristalino que ha sido sometido a una serie de procesamientos finos como corte, esmerilado y pulido. Existen dos relaciones diferentes entre este monocristal recién crecido y el sustrato. Una es que el nuevo monocristal y el sustrato son el mismo material, lo que se denomina crecimiento homoepitaxial; la otra es que el nuevo monocristal y el sustrato son materiales diferentes, lo que llamamos crecimiento heteroepitaxial. Dado que esta nueva capa de monocristal se extiende y crece en la dirección de la fase cristalina del sustrato, se denomina figurativamente capa epitaxial. Su espesor suele ser relativamente delgado, generalmente de unas pocas micras.

Tomando el silicio como ejemplo, la importancia del crecimiento epitaxial del silicio radica en que, sobre un sustrato monocristalino de silicio con una orientación cristalina específica, se desarrolla una capa de cristal con la misma orientación cristalina que el sustrato, pero con diferente resistividad y espesor, y una buena integridad de la estructura reticular. Cuando la capa epitaxial se desarrolla con éxito sobre el sustrato, el conjunto se denomina oblea epitaxial. En pocas palabras, oblea epitaxial = capa epitaxial + sustrato. En la fabricación real de dispositivos semiconductores, si el dispositivo se fabrica sobre la capa epitaxial, se denomina epitaxia positiva; si se fabrica sobre el sustrato, se denomina epitaxia inversa. En este caso, la capa epitaxial desempeña principalmente una función de soporte. Analicemos con más detalle la diferencia entre homoepitaxial y heteroepitaxial. En la epitaxia homogénea, la capa epitaxial y el sustrato están hechos del mismo material, como el común Si/Si (silicio/silicio), Gaas/Gaas (arseniuro de galio/arseniuro de galio), Gap/Gap (fosfuro de galio/fosfuro de galio) y otras combinaciones. En la epitaxia heterogénea, la capa epitaxial y el sustrato están hechos de diferentes materiales, como Si/Al2O3 (silicio/óxido de aluminio), Gas/Si (sulfuro de galio/silicio), Gaalas/Gaas (galio aluminio arsénico/arseniuro de galio), Gan/Sic (nitruro de galio/carburo de silicio), etc.

Entonces, ¿qué problemas clave resuelve el proceso epitaxial en el campo de los materiales semiconductores? Con el continuo desarrollo de la tecnología de semiconductores, los materiales monocristalinos simples y a granel se han vuelto cada vez más difíciles de satisfacer las necesidades de la creciente diversidad y complejidad de la fabricación de dispositivos semiconductores. Fue en este contexto que, a finales de 1959, surgió la tecnología de crecimiento de materiales monocristalinos en capa fina (crecimiento epitaxial). Si tomamos como ejemplo el silicio, cuando recién aparecía la tecnología de crecimiento epitaxial de silicio, la producción de transistores de silicio de alta frecuencia y alta potencia se enfrentaba a enormes dificultades. Desde la perspectiva de los principios básicos de los transistores, para obtener un rendimiento de alta frecuencia y alta potencia, se deben cumplir simultáneamente dos requisitos aparentemente contradictorios: por un lado, la tensión de ruptura en la región del colector debe ser alta, lo que requiere que el material de la región del colector tenga una alta resistividad; por otro lado, la resistencia en serie debe ser pequeña, es decir, la caída de tensión de saturación debe ser pequeña, lo que a su vez requiere que el material de la región del colector tenga una baja resistividad. Si se reduce la resistencia en serie simplemente adelgazando el material de la región del colector, la oblea de silicio se volverá demasiado delgada y fácil de romper, haciendo imposible realizar el procesamiento posterior; si se reduce la resistividad del material, entrará en conflicto con el requisito de alto voltaje de ruptura. La aparición de la tecnología epitaxial ha resuelto con éxito este problema que ha plagado la industria durante mucho tiempo.

La solución específica es desarrollar una capa epitaxial de alta resistividad sobre un sustrato con resistencia extremadamente baja y luego fabricar el dispositivo sobre la capa epitaxial. De esta manera, la capa epitaxial de alta resistividad puede garantizar que el tubo tenga un alto voltaje de ruptura, y el sustrato de baja resistencia reduce efectivamente la resistencia del sustrato, reduciendo así la caída de voltaje de saturación, resolviendo perfectamente el conflicto entre estos dos requisitos contradictorios. Además, no solo la tecnología de epitaxia de silicio, sino también tecnologías de epitaxia como la epitaxia en fase de vapor y la epitaxia en fase líquida de iii-v, ii-vi y otros materiales semiconductores compuestos moleculares como gaas han logrado grandes avances.

Hoy en día, estas tecnologías de epitaxia se han convertido en tecnologías de proceso clave indispensables en la producción de la mayoría de los dispositivos de microondas, optoelectrónicos y de potencia, entre otros. En particular, la tecnología de epitaxia de haz molecular y la tecnología de epitaxia en fase de vapor metalorgánica. Su exitosa aplicación en epitaxias de capa fina, superred, pozo cuántico, superred deformada y capa fina atómica ha sentado una base sólida para el desarrollo de un nuevo campo en la investigación de semiconductores: la "ingeniería de banda". En la práctica, los dispositivos semiconductores de banda ancha se fabrican casi exclusivamente sobre la capa epitaxial, mientras que las obleas de carburo de silicio suelen utilizarse únicamente como sustratos. Esto demuestra plenamente que el control de la capa epitaxial ocupa un lugar central en la industria de semiconductores de banda ancha y es un componente importante de su desarrollo. Para comprender mejor el significado de "epitaxia", citemos la información del sitio web oficial de Formosa Plastics. "Epi" significa "arriba" y "taxia" significa "disposición regular". Literalmente, "epitaxial" también se denomina "epitaxial". En los primeros tiempos, las obleas epitaxiales se utilizaban principalmente para mejorar la calidad de componentes como los transistores bipolares.

Con el continuo avance de la tecnología, también se ha utilizado ampliamente en componentes ic bipolares y procesos mos en los últimos años. La razón por la que la tecnología epitaxial es tan importante en el campo de los materiales semiconductores es que tiene siete habilidades únicas.

En primer lugar, puede hacer crecer epitaxialmente capas epitaxiales de alta (baja) resistencia en sustratos de baja (alta) resistencia y, de esta manera, las propiedades eléctricas del material se pueden ajustar de manera flexible para satisfacer las necesidades de diferentes dispositivos.

En segundo lugar, puede hacer crecer epitaxialmente capas epitaxiales de tipo n (p) en sustratos de tipo p (n) para formar directamente uniones pn. Este método evita el problema de compensación que puede ocurrir al hacer uniones pn en sustratos de monocristal mediante el método de difusión y mejora en gran medida la calidad y el rendimiento de las uniones pn.

En tercer lugar, la tecnología epitaxial se combina con la tecnología de máscara para crecer selectivamente epitaxialmente en áreas designadas. Esta característica crea condiciones extremadamente favorables para la producción de circuitos integrados y dispositivos con estructuras especiales, lo que hace que el diseño y la fabricación de dispositivos semiconductores sean más flexibles y diversos.

En cuarto lugar, durante el proceso de crecimiento epitaxial, el tipo y la concentración de dopaje se pueden cambiar según las necesidades reales. Además, el cambio en la concentración puede ser abrupto o gradual. Esta capacidad de controlar con precisión el dopaje es crucial para optimizar el rendimiento de los dispositivos semiconductores.

En quinto lugar, la tecnología epitaxial permite desarrollar compuestos heterogéneos, multicapa y multicomponentes, y puede lograr el crecimiento de capas ultradelgadas con componentes variables. Esto proporciona una rica selección de materiales y un espacio de diseño estructural para la fabricación de dispositivos semiconductores multifuncionales de alto rendimiento.

En sexto lugar, el crecimiento epitaxial se puede llevar a cabo a una temperatura inferior al punto de fusión del material, y la tasa de crecimiento es controlable. Más importante aún, puede lograr un crecimiento epitaxial de espesor a escala atómica, lo que permite la fabricación de dispositivos semiconductores para lograr niveles de precisión y rendimiento extremadamente altos.

En séptimo lugar, la tecnología epitaxial permite desarrollar algunas capas de monocristal que no se pueden obtener mediante métodos de tracción tradicionales, como los compuestos gan y ternarios y cuaternarios. Esto amplía enormemente los tipos y el rango de aplicación de los materiales semiconductores y proporciona más posibilidades para el desarrollo innovador de la tecnología de semiconductores.

En resumen, el sustrato y la capa epitaxial tienen una clara división del trabajo y un papel indispensable en los materiales semiconductores. La existencia de la capa epitaxial no solo resuelve muchos problemas en la fabricación de dispositivos semiconductores, sino que también proporciona un fuerte apoyo para la innovación y el desarrollo continuos de la tecnología de semiconductores. Con el avance continuo de la tecnología de semiconductores, la tecnología epitaxial continuará mejorando y desarrollándose, brindándonos más dispositivos semiconductores con un rendimiento excelente y funciones potentes.