Worin besteht der Unterschied zwischen Substrat und Epitaxie?

In der Halbleiterindustriekette, insbesondere in der Halbleiterindustriekette der dritten Generation (Halbleiter mit großer Bandlücke), gibt es ein Substrat und eine Epitaxieschicht. Welche Bedeutung hat die Epitaxieschicht? Worin unterscheidet sie sich vom Substrat?

Bei der Waferpräparation gibt es zwei Kernschritte: die Substratvorbereitung und die Anwendung der Epitaxietechnologie. Das Substrat, ein Wafer aus monokristallinem Halbleitermaterial, kann entweder direkt im Waferherstellungsprozess zur Produktion von Halbleiterbauelementen eingesetzt oder durch einen Epitaxieprozess weiter optimiert werden.

Was ist Epitaxie? Kurz gesagt, ist Epitaxie das Wachstum einer neuen Schicht aus Einkristallen auf einem feinbearbeiteten Einkristallsubstrat (geschnitten, geschliffen, poliert usw.). Der neue Einkristall und das Substrat können aus dem gleichen oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen, sodass je nach Bedarf homogene oder heterogene Epitaxie erreicht werden kann. Da sich die neu gewachsene Einkristallschicht entsprechend der Kristallphase des Substrats ausdehnt, wird sie als Epitaxieschicht bezeichnet. Ihre Dicke beträgt in der Regel nur wenige Mikrometer. Am Beispiel von Silizium: Bei der Silizium-Epitaxie wird auf einem Silizium-Einkristallsubstrat mit einer bestimmten Kristallrichtung eine Silizium-Einkristallschicht mit der gleichen Kristallrichtung wie das Substrat abgeschieden. Der spezifische Widerstand und die Dicke sind kontrollierbar, und die Gitterstruktur ist perfekt. Wenn die Epitaxieschicht auf dem Substrat gewachsen ist, wird das Ganze als Epitaxieschicht bezeichnet.

Für die traditionelle Silizium-Halbleiterindustrie stellt die direkte Herstellung von Hochfrequenz-Hochleistungsbauelementen auf Siliziumwafern eine Herausforderung dar. Zu den Anforderungen zählen eine hohe Durchbruchspannung, ein geringer Serienwiderstand und ein niedriger Sättigungsspannungsabfall im Kollektorbereich. Die Epitaxietechnologie bietet hierfür eine elegante Lösung. Dabei wird eine hochohmige Epitaxieschicht auf einem niederohmigen Siliziumsubstrat aufgebracht und anschließend die Bauelemente auf dieser Schicht gefertigt. So ermöglicht die hochohmige Epitaxieschicht eine hohe Durchbruchspannung, während das niederohmige Substrat den Substratwiderstand und damit den Sättigungsspannungsabfall reduziert. Dadurch wird ein optimales Verhältnis zwischen hoher Durchbruchspannung, niedrigem Widerstand und geringem Spannungsabfall erreicht.

Darüber hinaus wurden GaAs und andere molekulare Verbindungshalbleitermaterialien der Gruppen III–V, II–VI sowie weitere Halbleitermaterialien mittels Gasphasenepitaxie, Flüssigphasenepitaxie und anderer Epitaxieverfahren stark weiterentwickelt und sind heute unverzichtbare Prozesstechnologien für die meisten Mikrowellen-, optoelektronischen und Leistungselektronikbauelemente. Insbesondere die erfolgreiche Anwendung der Molekularstrahl- und metallorganischen Gasphasenepitaxie in der Dünnschicht-, Supergitter-, Quantentopf-, Dehnungssupergitter- und atomaren Dünnschichtepitaxie hat eine solide Grundlage für die Entwicklung des neuen Forschungsfelds „Energieband-Engineering“ in der Halbleiterforschung geschaffen.

Bei Halbleiterbauelementen der dritten Generation basieren diese fast ausschließlich auf Epitaxieschichten, wobei der Siliziumkarbid-Wafer lediglich als Substrat dient. Die Dicke des SiC-Epitaxiematerials, die Hintergrundladungsträgerkonzentration und weitere Parameter bestimmen direkt die elektrischen Eigenschaften der SiC-Bauelemente. Siliziumkarbidbauelemente für Hochspannungsanwendungen erfordern neue Parameter wie die Dicke des Epitaxiematerials und die Hintergrundladungsträgerkonzentration. Daher spielt die Siliziumkarbid-Epitaxietechnologie eine entscheidende Rolle für die volle Leistungsfähigkeit von Siliziumkarbidbauelementen. Nahezu alle SiC-Leistungshalbleiter basieren auf hochwertigen SiC-Epitaxieschichten, und deren Herstellung ist ein wichtiger Bestandteil der Halbleiterindustrie mit großer Bandlücke.

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