Mengapa Perangkat Semikonduktor Membutuhkan “Lapisan Epitaksial”

Asal Usul Nama “Epitaksial Wafer”

Persiapan wafer terdiri dari dua langkah utama: persiapan substrat dan proses epitaksi. Substrat terbuat dari bahan kristal tunggal semikonduktor dan biasanya diproses untuk menghasilkan perangkat semikonduktor. Ia juga dapat menjalani pemrosesan epitaksi untuk membentuk wafer epitaksi. Epitaksi mengacu pada proses menumbuhkan lapisan kristal tunggal baru pada substrat kristal tunggal yang diproses dengan cermat. Kristal tunggal yang baru dapat berasal dari bahan yang sama dengan substratnya (epitaksi homogen) atau dari bahan yang berbeda (epitaksi heterogen). Karena lapisan kristal baru tumbuh sejajar dengan orientasi kristal substrat, maka disebut lapisan epitaksi. Wafer dengan lapisan epitaksi disebut sebagai wafer epitaksi (wafer epitaksi = lapisan epitaksi + substrat). Perangkat yang dibuat pada lapisan epitaksi disebut “epitaksi maju”, sedangkan perangkat yang dibuat pada substrat disebut sebagai “epitaksi terbalik”, di mana lapisan epitaksi hanya berfungsi sebagai pendukung.

Epitaksi Homogen dan Heterogen

▪Epitaksi Homogen:Lapisan epitaksial dan substrat terbuat dari bahan yang sama: misalnya Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪Epitaksi Heterogen:Lapisan epitaksi dan substrat terbuat dari bahan yang berbeda: misalnya Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC, dll.

Wafer yang Dipoles

Masalah Apa yang Dipecahkan Epitaksi?

Bahan kristal tunggal dalam jumlah besar saja tidak cukup untuk memenuhi kebutuhan fabrikasi perangkat semikonduktor yang semakin kompleks. Oleh karena itu, pada akhir tahun 1959, teknik pertumbuhan bahan kristal tunggal tipis yang dikenal sebagai epitaksi dikembangkan. Namun bagaimana teknologi epitaksi secara khusus membantu kemajuan material? Untuk silikon, pengembangan epitaksi silikon terjadi pada saat kritis ketika pembuatan transistor silikon berfrekuensi tinggi dan berdaya tinggi menghadapi kesulitan yang signifikan. Dari perspektif prinsip transistor, untuk mencapai frekuensi dan daya yang tinggi, tegangan tembus daerah kolektor harus tinggi, dan resistansi seri harus rendah, yang berarti tegangan saturasi harus kecil. Yang pertama membutuhkan resistivitas yang tinggi pada material kolektor, sedangkan yang kedua membutuhkan resistivitas yang rendah, sehingga menimbulkan kontradiksi. Mengurangi ketebalan daerah kolektor untuk mengurangi resistansi seri akan membuat wafer silikon terlalu tipis dan rapuh untuk diproses, dan menurunkan resistivitas akan bertentangan dengan persyaratan pertama. Perkembangan teknologi epitaksi berhasil mengatasi permasalahan tersebut. Solusinya adalah menumbuhkan lapisan epitaksi dengan resistivitas tinggi pada substrat dengan resistivitas rendah. Perangkat ini dibuat pada lapisan epitaksial, memastikan tegangan tembus transistor yang tinggi, sedangkan substrat resistivitas rendah mengurangi resistansi basis dan menurunkan tegangan saturasi, sehingga memecahkan kontradiksi antara kedua persyaratan tersebut.

Selain itu, teknologi epitaksi untuk semikonduktor senyawa III-V dan II-VI seperti GaAs, GaN, dan lainnya, termasuk epitaksi fase uap dan fase cair, telah mengalami kemajuan yang signifikan. Teknologi ini menjadi penting untuk pembuatan banyak perangkat gelombang mikro, optoelektronik, dan listrik. Secara khusus, teknik seperti epitaksi berkas molekul (MBE) dan deposisi uap kimia logam-organik (MOCVD) telah berhasil diterapkan pada lapisan tipis, superlattice, sumur kuantum, superlattice tegang, dan lapisan epitaxial tipis skala atom, yang meletakkan dasar yang kuat untuk pengembangan bidang semikonduktor baru seperti “rekayasa pita”.

Dalam aplikasi praktis, sebagian besar perangkat semikonduktor celah pita lebar dibuat pada lapisan epitaksial, dengan bahan seperti silikon karbida (SiC) hanya digunakan sebagai substrat. Oleh karena itu, pengendalian lapisan epitaksi merupakan faktor penting dalam industri semikonduktor celah pita lebar.

Teknologi Epitaksi: Tujuh Fitur Utama

1. Epitaksi dapat menumbuhkan lapisan resistivitas tinggi (atau rendah) pada substrat dengan resistivitas rendah (atau tinggi).

2. Epitaksi memungkinkan pertumbuhan lapisan epitaksi tipe N (atau P) pada substrat tipe P (atau N), secara langsung membentuk sambungan PN tanpa masalah kompensasi yang timbul saat menggunakan difusi untuk membuat sambungan PN pada substrat kristal tunggal.

3. Ketika dikombinasikan dengan teknologi masker, pertumbuhan epitaksial selektif dapat dilakukan di area tertentu, sehingga memungkinkan pembuatan sirkuit dan perangkat terpadu dengan struktur khusus.

4. Pertumbuhan epitaksi memungkinkan pengendalian jenis dan konsentrasi doping, dengan kemampuan untuk mencapai perubahan konsentrasi secara tiba-tiba atau bertahap.

5. Epitaksi dapat menumbuhkan senyawa heterogen, berlapis-lapis, multi-komponen dengan komposisi bervariasi, termasuk lapisan ultra-tipis.

6. Pertumbuhan epitaksi dapat terjadi pada suhu di bawah titik leleh material, dengan laju pertumbuhan yang terkendali, memungkinkan presisi tingkat atom dalam ketebalan lapisan.

7. Epitaksi memungkinkan tumbuhnya lapisan kristal tunggal dari bahan yang tidak dapat ditarik menjadi kristal, seperti semikonduktor senyawa GaN dan ternary/quaternary.

Berbagai Lapisan Epitaxial dan Proses Epitaxial

Singkatnya, lapisan epitaksi menawarkan struktur kristal yang lebih mudah dikontrol dan sempurna dibandingkan substrat curah, yang bermanfaat untuk pengembangan material tingkat lanjut.