1. substrát
1. definice a funkce
· Fyzická podpora: Substrát je nosičem polovodičového zařízení, obvykle kruhového nebo čtvercového monokrystalového oplatky (jako je křemíková oplatka).
· Křišťálová šablona: Poskytuje šablonu pro atomové uspořádání pro růst epitaxiální vrstvy, aby se zajistilo, že epitaxiální vrstva je konzistentní se strukturou krystalické struktury substrátu (homoepitaxiální) nebo shody (heteroepitaxiální).
· Elektrická základna: Část substrátu se přímo účastní vedení zařízení (jako jsou například výkonová zařízení na bázi křemíku) nebo působí jako izolátor pro izolaci obvodu (jako je safírový substrát).
2. Srovnání mainstreamových substrátových materiálů
|
Materiály |
Funkce |
Typické aplikace |
|
Křemík (SI) |
Nízké náklady, zralá technologie, střední tepelná vodivost |
Integrované obvody, MOSFET, IGBT |
|
Sapphire (al₂o₃) |
Izolace, odolnost proti vysoké teplotě, velká neshoda mřížky (až 13% s GAN) |
LED diody založené na GAN, RF zařízení |
|
Křemíkový karbid (sic) |
Vysoká tepelná vodivost, vysoká pevnost v poli, vysoká teplota odolnost |
Elektrické moduly napájení vozidla, zařízení RF základní stanice 5G |
|
Arsenid galia (GaAs) |
Vynikající vysokofrekvenční charakteristiky, přímá mezera pásma |
RF čipy, laserové diody, solární články |
|
Gallium nitrid (GAN) |
Vysoká mobilita elektronů, vysoká odolnost proti napětí |
Rychlý nabíjecí adaptér, komunikační zařízení milimetrů vln |
3. základní úvahy o výběru substrátu
· Srovnání mřížky: Snižte defekty epitaxiální vrstvy (např. Neshoda mřížky GAN\/Sapphire dosáhne 13%, což vyžaduje vrstvu pufru).
· Porovnávání koeficientu tepelné roztažnosti: Vyvarujte se praskání napětí způsobené změnami teploty.
· Kompatibilita nákladů a procesů: Například v hlavním proudu dominují substráty křemíku v důsledku zralých procesů.
2. epitaxiální vrstva
1. definice a účel
Epitaxiální růst: Depozice tenkého filmu s jedním krystalem na povrchu substrátu chemickými nebo fyzikálními metodami, s atomovým uspořádáním přísně zarovnaným se substrátem.
Základní funkce:
- Zlepšit čistotu materiálu (substrát může obsahovat nečistoty).
- Vytvářejte heterogenní struktury (jako jsou GAAS\/ALGAAS Quantum Wells).
- Izolují defekty substrátu (jako jsou defekty mikropipu na substrátech SIC).
2. klasifikace epitaxiální technologie
|
Technologie |
Princip |
Funkce |
Použitelné materiály |
|
MOCVD |
Kovový organický zdroj + plynový reakce (jako je TMGA + NH₃ pro generování GAN) |
Vhodné pro složené polovodiče, hromadná výroba |
Gan, Gaas, Inp |
|
MBE |
Depozice vrstvy molekulárního paprsku pod ultra vysokým vakuem |
Kontrola na atomové úrovni, pomalá rychlost růstu, vysoké náklady |
Superlattice, kvantové tečky |
|
Lpcvd |
Tepelný rozklad plynu zdroje křemíku (jako je SIH₄) pod nízkým tlakem |
Technologie mainstreamového křemíku epitaxy, dobrá uniformita |
Si, Sige |
|
Hvpe |
Epitaxy fáze páry na vysoké úrovni |
Rychlá rychlost růstu, vhodná pro silné filmy (jako jsou substráty GAN) |
Gan, ZnO |
3. Klíčové parametry návrhu epitaxiální vrstvy
- Tloušťka: Od několika nanometrů (kvantová jamka) po desítky mikronů (epilamenta výkonových zařízení).
- Doping: Přesně kontrolujte koncentraci nosiče dopingovými nečistotami, jako je fosfor (typ N) a boor (typ P).
- Kvalita rozhraní: Neshoda mřížky musí být zmírněna vrstvou vyrovnávací paměti (jako je GAN\/ALN) nebo napjatá superlattice.
4. Výzvy a řešení heteroepitaxiálního růstu
- Neshoda mřížky:
- Vrstva gradientního pufru: Postupně měňte složení ze substrátu na epitaxiální vrstvu (jako je Algan Gradient Layer).
- Nízkoteplotní nukleační vrstva: Roste tenká vrstvy při nízké teplotě, aby se snížilo stres (jako je nízkoteplotní alnukleační vrstva GAN).
- Tepelný nesoulad: Vyberte kombinaci materiálů s podobnými koeficienty tepelné roztažení nebo použijte flexibilní návrh rozhraní.
3. Synergické případy aplikace substrátu a epitaxy
Případ 1: LED založená na GAN
Substrát: Sapphire (nízké náklady, izolace).
Epitaxiální struktura:
- Vrstva pufru (ALN nebo nízkoteplotní GAN) → Snižte defekty neshody mřížky.
- Vrstva N-typu GAN → Poskytovat elektrony.
- InGan\/GAN Multi-Quantum Well → Light-emitující vrstva.
- Vrstva typu P → Poskytněte otvory.
Výsledek: Hustota defektů je nízká jako 10⁸ cm⁻² a světelná účinnost se výrazně zlepšuje.
Případ 2: SIC Power MOSFET
Substrát: 4H-SIC Single Crystal (odolané napětí do 10 kV).
Epitaxiální vrstva:
- N-type SIC Drift Layer (tloušťka 10-100 μm) → Vydrží vysoké napětí.
- Základní oblast SIC typu P → Tvorba kontrolního kanálu.
Výhody: 90% nižší odolnost než silikonová zařízení, 5krát rychlejší rychlost přepínání.
Případ 3: zařízení GAN RF na bázi křemíku
Substrát: SILIKON s vysokou rezistencí (nízké náklady, snadno se integruje).
Epitaxiální vrstva:
- ALN Nukleační vrstva → zmírňuje neshodu mřížky mezi SI a GAN (16%).
- Vrstva GAN vyrovnávací paměti → zachycuje defekty a zabraňuje jim v rozložení do aktivní vrstvy.
- Heterojunkce Algan\/GAN → tvoří kanál s vysokou mobilitou elektronů (HEMT).
Aplikace: 5g základní zesilovač základny, s frekvencí více než 28 GHz.
