Substrát je fyzický základ zariadenia a určuje uskutočniteľnosť a náklady na epitaxiálny rast .
Epitaxiálna vrstva je funkčné jadro a elektrický a optický výkon sa optimalizuje prostredníctvom štrukturálneho návrhu a presným dopingom .
Zodpovedanie týchto dvoch (mriežka, teplo, elektrina) je kľúčom k vysokovýkonným zariadeniam, ktoré vedie k technológii polovodičov na vyššiu frekvenciu, vyššiu energiu a nižšiu spotrebu energie .
1. substrát
Definícia a funkcia
Fyzická podpora: Substrát je nosič polovodičového zariadenia, zvyčajne okrúhly alebo štvorcový tenký tenký plech (napríklad kremíková doštička) .
Crystal Template: Poskytuje templát pre atómové usporiadanie pre rast epitaxnej vrstvy, aby sa zabezpečilo, že epitaxiálna vrstva je konzistentná so štruktúrou kryštálov substrátu (homogénna epitaxia) alebo zhody (heterogénna epitaxia) .
Elektrické základy: Niektoré substráty sa priamo podieľajú na vedení zariadení (ako napríklad kremíkové napájacie zariadenia) alebo slúžia ako izolátory na izoláciu obvodov (napríklad Sapphire substráty) .
2. porovnanie materiálov substrátu hlavného prúdu
| Materiál | Vlastnosti | Typické aplikácie |
| kremík (Si) | Nízke náklady, zrelá technológia, stredná tepelná vodivosť | Integrovaný okruh, MOSFET, IGBT |
| Sapphire (al₂o₃) | Izolácia, vysoká teplotná odolnosť, veľký nesúlad mriežky (až 13% s GAN) | LED diódy na báze GAN a RF zariadenia |
| Kremíkový karbid (sic) | Vysoká tepelná vodivosť, vysoké rozkladné pole poľa, vysoký teplotný odpor | Elektrické moduly energie vozidla, RF zariadenia 5G základnej stanice |
| Gallium arsenid (GaAs) | Vynikajúce vysokofrekvenčné charakteristiky, Direct Bandgap | RF čipy, laserové diódy, solárne články |
| Nitrid gália (Gan) | Vysoká mobilita elektrónov, vysoký odpor odporu | Adaptér s rýchlym nabíjaním, komunikačné zariadenie milimetrových vĺn |
3. základné úvahy o výbere substrátu
Zodpovedanie mriežky: Znížte defekty epitaxiálnej vrstvy (napríklad nezhoda mriežky Gan/Sapphire 13%, vyžadujúca vrstvu vyrovnávacej pamäte) .
Zodpovedajúci tepelný expanzný koeficient: Vyhnite sa prasknutiu napätia spôsobené zmenami teploty .
Kompatibilita nákladov a procesov: Napríklad substráty kremíka dominujú v hlavnom prúde v dôsledku zrelých procesov .
2. epitaxiálna vrstva
1. Definícia a účel
Epitaxiálny rast: Jednoznačné tenké filmy vkladu na povrchu substrátu chemickými alebo fyzikálnymi metódami a atómové usporiadanie je prísne zarovnané so substrátom .
Základná úloha:
Zlepšiť čistotu materiálu (substrát môže obsahovať nečistoty) .
Konštrukcia heterogénnych štruktúr (napríklad GaAs/Algas Quantum Wells) .
Defekty substrátu (ako sú defekty mikropipov v scstrátoch SIC) .
2. Klasifikácia epitaxiálnej technológie
3. Kľúčové parametre dizajnu epitaxiálnej vrstvy
Hrúbka: Od niekoľkých nanometrov (kvantové jamky) po desiatky mikrónov (epitaxiálna vrstva napájacieho zariadenia) .
Doping: Presne kontrolujte koncentráciu nosiča dopingovými nečistotami, ako je fosfor (typ N) a bór (p-type) .
Kvalita rozhrania: Nesúlad mriežky je potrebné zmierniť vrstvami vyrovnávacej pamäte (napríklad GAN/ALN) alebo napäté superlattices .
4. Výzvy a riešenia nesúladu heteroepitaxiálneho rastu mriežky:
Postupná vrstva vyrovnávacej pamäte: Postupne mente kompozíciu z substrátu na epitaxiálnu vrstvu (napríklad vrstva gradientu Algan) .
Nukleačná vrstva s nízkou teplotou: Pestovanie tenkých vrstiev pri nízkej teplote, aby sa znížilo napätie (ako napríklad nukleačná vrstva s nízkou teplotou ALN Gan) .
Tepelné nesúlad: Vyberte kombináciu materiálov s podobnými koeficientmi tepelnej expanzie alebo použite flexibilný dizajn rozhrania .
3. prípady aplikácie Collaborative substrátu a epitaxie
Prípad 1: Substrát LED na báze GAN: Sapphire (nízka cena, izolácia) .
Epitaxná štruktúra:
Vrstva vyrovnávacej pamäte (ALN alebo nízkoteplotné GAN) → Znížte defekty nesúladu mriežky .
N-typ GAN vrstva → Poskytnite elektróny .
Ingan/gan viacnásobné kvantové jamky → vrstva emitujúca svetlo .
Vrstva gan-typu p-type → Poskytnite otvory .
Výsledok: Hustota defektov je nízka ako 10 ° CM⁻² a svetelná účinnosť sa výrazne vylepšuje .
Prípad 2: SIC Power MOSFET
Substrát: 4H-siC Jednoterný kryštál (odolávať napätiu do 10 kV) .
Epitaxná vrstva:
Vrstva driftu N-typu (hrúbka 10-100 μm) → Oddrvte vysoké napätie .
Základná oblasť SIC Base P-Type → Formácia riadiaceho kanála .
Výhody: 90% nižšia rezistencia ako kremíkové zariadenia, 5-krát rýchlejšia rýchlosť prepínania.
Prípad 3: Substrát GAN RF na báze kremíka: kremík s vysokým odporom (nízka cena, ľahká integrácia) .
Epilayer: Nukleačná vrstva ALN → zmierniť nesúlad mriežky medzi Si a Gan (16%) .
Vrstva vyrovnávacej pamäte GAN → Zachytenie defektov a zabránenie im v rozšírení do aktívnej vrstvy .
Algan/Gan Heterojunction → Forma vysokej mobility elektrónov (hemt) .
Aplikácia: Zosilňovač základnej stanice 5G, frekvencia môže dosiahnuť viac ako 28 GHz .
