A szubsztrát az eszköz fizikai alapja, és meghatározza az epitaxiális növekedés megvalósíthatóságát és költségeit .
Az epitaxiális réteg a funkcionális mag, az elektromos és optikai teljesítményt a szerkezeti tervezés és a pontos dopping . optimalizálása révén optimalizálják.
A kettő (rács, hő, villamos energia) illesztése a nagy teljesítményű eszközök kulcsa, a félvezető technológiát magasabb frekvenciára, magasabb energiára és alacsonyabb energiafogyasztásra vezetéshez .
1. szubsztrát
Meghatározás és funkció
Fizikai támogatás: A szubsztrát a félvezető eszköz hordozója, általában egy kerek vagy négyzet alakú, egykristályos vékony lap (például a szilícium -ostya) .
Kristálysablon: Az epitaxiális rétegnövekedés atomrendszerének sablonja biztosítja annak biztosítása érdekében, hogy az epitaxiális réteg összhangban álljon a szubsztrát kristályszerkezetével (homogén epitaxiával) vagy egyezésekkel (heterogén epitaxi) .}
Elektromos alapok: Néhány szubsztrát közvetlenül részt vesz az eszközvezetésben (például szilícium-alapú tápegységek), vagy szigetelőként szolgál az áramkörök (például a zafír-szubsztrátok) izolálására .
2. A mainstream szubsztrát anyagok összehasonlítása
| Anyag | Tulajdonságok | Tipikus alkalmazások |
| Szilícium (SI) | Olcsó, érett technológia, közepes hővezető képesség | Integrált áramkör, MOSFET, IGBT |
| zafír (al₂o₃) | Szigetelés, magas hőmérséklet -ellenállás, nagy rácsos eltérés (legfeljebb 13% GaN) | GaN-alapú LED-ek és RF eszközök |
| Szilícium -karbid (sic) | Magas hővezető képesség, magas bontási terepi szilárdság, magas hőmérsékleti ellenállás | Elektromos jármű teljesítmény modulok, 5G bázisállomás RF eszközök |
| Gallium arzenid (GAAS) | Kiváló, magas frekvenciájú jellemzők, közvetlen sávszélesség | RF chips, lézeres diódák, napelemek |
| Gallium -nitrid (GAN) | Nagy elektronmobilitás, nagy feszültség ellenállás | Gyors töltő adapter, milliméter hullámú kommunikációs eszköz |
3. A szubsztrát kiválasztásának alapvető megfontolásai
Rácsos illesztés: Csökkentse az epitaxiális réteg hibáit (például a GaN/Sapphire rácsos eltérés 13%, pufferréteget igényel) .
A termikus tágulási együttható illesztése: Kerülje el a hőmérsékleti változások által okozott feszültség -repedést .
Költség- és folyamat kompatibilitása: Például a szilícium -szubsztrátok dominálnak a mainstreamben az érett folyamatok miatt .
2. epitaxiális réteg
1. Meghatározás és cél
Epitaxiális növekedés: Helyezze el az egykristályos vékony fóliákat a szubsztrát felületére kémiai vagy fizikai módszerekkel, és az atom elrendezése szigorúan igazodik a . szubsztráthoz
Alapvető szerep:
Javítsa az anyag tisztaságát (a szubsztrát szennyeződéseket tartalmazhat) .
Konstruáljon heterogén struktúrákat (például a GAAS/Algaas Quantum Wells) .
A szubsztrát hibáinak izolálása (például a SIC szubsztrátok mikropipe -hibái) .
2. Az epitaxiális technológia osztályozása
3. Az epitaxiális réteg kialakításának kulcsfontosságú paraméterei
Vastagság: Néhány nanométerből (kvantumkút) a tíz mikronig (teljesítménykészülék -epitaxiális réteg) .
Dopping: Pontosan szabályozza a hordozó koncentrációját olyan dopping szennyeződésekkel, mint például a foszfor (N-típusú) és a bór (p-típus) .
Interfészminőség: A rácsos eltérést pufferrétegek (például GaN/ALN) vagy feszített SuperLattes . szűkített szuperrétegek segítségével kell enyhíteni.
4. A heteroepitaxiális növekedési rács -eltérés kihívásai és megoldásai:
Fokozatos pufferréteg: Fokozatosan változtassa meg a kompozíciót szubsztrátról epitaxiális rétegre (például az Algan gradiens réteg) .
Alacsony hőmérsékletű nukleációs réteg: Növelje a vékony rétegeket alacsony hőmérsékleten a stressz csökkentése érdekében (például az alacsony hőmérsékletű ALN nukleációs réteg GaN) .
Termális eltérés: Válasszon egy hasonló hőtágulási együtthatókkal rendelkező anyagok kombinációját, vagy használjon rugalmas felület kialakítását .
3. A szubsztrát és az epitaxia együttműködési alkalmazási esetei
1. eset: GaN-alapú LED-es szubsztrát: zafír (olcsó, szigetelés) .
Epitaxiális szerkezet:
Bufferréteg (ALN vagy alacsony hőmérsékletű GAN) → Csökkentse a rácsos eltérési hibákat .
N-típusú GaN réteg → Adjon meg elektronokat .
Ingan/gan többszörös kvantumkút → fénykibocsátó réteg .
P-típusú GaN réteg → Biztosítson lyukakat .
Eredmény: A hibasűrűség olyan alacsony, mint a 10⁸ cm⁻², és a világító hatékonyság jelentősen javul .
2. eset: SIC POWER MOSFET
Szubsztrát: 4H-SIC egykristály (9 kV-ig tartó feszültség) .
Epitaxiális réteg:
N-típusú SIC sodródási réteg (vastagság 10-100 μm) → A nagyfeszültség ellenállása .
P-típusú SIC alaprégió → Vezérlőcsatorna képződése .
Előnyök: 90% -kal alacsonyabb az ellenállás, mint a szilícium-eszközök, ötször gyorsabb váltási sebesség .
3. eset: Szilícium-alapú GAN RF eszköz szubsztrát: Nagy ellenállású szilikon (olcsó, könnyű integráció) .
EPILAYER: ALN nukleációs réteg → A Si és a Gan közötti rácsos eltérés enyhítése (16%) .
Gan pufferréteg → rögzítési hibák rögzítése, és megakadályozzák őket, hogy kiterjedjenek az aktív rétegre .
Algan/GaN heterojunkció → Nagy elektronmobilitási csatorna (HEMT) . formája.
Alkalmazás: 5G bázisállomás teljesítményerősítője, a frekvencia több mint 28 GHz -nál elérheti .