1. Субстрат
1. Определение и функция
· Физическа поддръжка: Субстратът е носител на полупроводниковото устройство, обикновено кръгла или квадратна единична кристална вафла (като силициева вафла).
· Кристален шаблон: Осигурява шаблон за атомно разположение на растежа на епитаксиалния слой, за да се гарантира, че епитаксиалният слой е в съответствие със структурата на кристала на субстрата (хомоепитаксиален) или съвпадения (хетероепитакси).
· Електрическа основа: Част от субстрата директно участва в провеждането на устройството (като например силиконови устройства за захранване) или действа като изолатор за изолиране на веригата (като сапфирен субстрат).
2. Сравнение на основните субстратни материали
|
Материали |
Характеристики |
Типични приложения |
|
Силиций (SI) |
Ниска цена, зряла технология, средна топлопроводимост |
Интегрални схеми, MOSFET, IGBT |
|
Сапфир (Al₂o₃) |
Изолация, висока температурна устойчивост, голямо несъответствие на решетката (до 13% с GAN) |
GAN базирани светодиоди, RF устройства |
|
Силициев карбид (sic) |
Висока термична проводимост, висока якост на разрушаване, висока температурна устойчивост |
Електрически модули за захранване на превозното средство, 5G RF устройства на базовата станция |
|
Галий арсенид (GAAS) |
Отлични високочестотни характеристики, директна пропаст в лентата |
RF чипове, лазерни диоди, слънчеви клетки |
|
Галий нитрид (GAN) |
Висока мобилност на електрон, високо съпротивление на напрежението |
Адаптер за бързо зареждане, комуникационни устройства за милиметрова вълна |
3. Основни съображения за подбор на субстрата
· Съпоставяне на решетката: Намаляване на дефектите на епитаксиалния слой (напр. GAN\/Sapphire Mantice несъответствие достига 13%, което изисква буферен слой).
· Коефициент на коефициент на термично разширение: Избягвайте напукване на напрежението, причинено от температурни промени.
· Съвместимост на разходите и процесите: Например, силициевите субстрати доминират в основния поток поради зрели процеси.
2. Епитаксиален слой
1. Определение и цел
Епитаксиален растеж: отлагане на едно кристален тънък филм върху повърхността на субстрата чрез химически или физически методи, като атомната подредба е строго подравнена със субстрата.
Основни функции:
- Подобрете чистотата на материала (субстратът може да съдържа примеси).
- Изградете хетерогенни структури (като GAAS\/Algaas Quantum Wells).
- Изолирайте дефекти на субстрата (като дефекти на микропипи върху SIC субстрати).
2. Класификация на епитаксиалната технология
|
Технология |
Принцип |
Характеристики |
Приложими материали |
|
Mocvd |
Метален органичен източник + газова реакция (като TMGA + NH₃ за генериране на GAN) |
Подходящ за сложни полупроводници, масово производство |
GAN, GAAS, Inp |
|
MBE |
Молекулен лъч слой по слой отлага се при ултра-висок вакуум |
Контрол на атомно ниво, бавен темп на растеж, висока цена |
Суперрешетка, квантови точки |
|
Lpcvd |
Термично разлагане на газ от силициев източник (като SIH₄) при ниско налягане |
Основна технология за епитаксия на силиций, добра равномерност |
Si, Sige |
|
Hvpe |
Епитаксия с висока температура на халидната фаза |
Бърз темп на растеж, подходящ за дебели филми (като субстрати на GAN) |
Ган, Зно |
3. Основни параметри на епитаксиалния дизайн на слоя
- Дебелина: От няколко нанометра (квантов кладенец) до десетки микрони (епилаери на захранващи устройства).
- Допинг: Прецизно контролирайте концентрацията на носителя чрез допинг примеси като фосфор (N-тип) и бор (P-тип).
- Качество на интерфейса: Необходимото несъответствие на решетката трябва да бъде облекчено от буферен слой (като GAN\/ALN) или обтегнати суперреси.
4. Предизвикателства и решения на хетероепитаксиалния растеж
- Несъответствие на решетката:
- Буферен слой на градиент: Постепенно променете състава от субстрат към епитаксиален слой (като например градиентен слой на Algan).
- Нискотемпературен ядрен слой: Отглеждайте тънки слоеве при ниска температура, за да намалите напрежението (като нискотемпературен алкохолен ядрен слой на GAN).
- Термично несъответствие: Изберете комбинация от материали с подобни коефициенти на термично разширение или използвайте гъвкав дизайн на интерфейса.
3. Синергични случаи на приложения на субстрат и епитаксия
Случай 1: LED на базата на GAN
Субстрат: сапфир (ниска цена, изолация).
Епитаксиална структура:
- Буферен слой (ALN или нискотемпературен GAN) → Намалете несъответствията на решетката.
- N-тип GAN слой → Осигурете електрони.
- INGAN\/GAN MULTI-QUANTUM Bell → Light-Emitting Layer.
- P-тип GAN слой → Осигурете дупки.
Резултат: Плътността на дефектите е само 10⁸ cm⁻², а светещата ефективност е значително подобрена.
Случай 2: SIC Power MOSFET
Субстрат: 4H-SIC единичен кристал (издържа на напрежение до 10 kV).
Епитаксиален слой:
- N-тип SIC дрейф слой (дебелина 10-100 μm) → издържа на високо напрежение.
- P-Type SIC BASE REGION → Образуване на контролни канали.
Предимства: 90% по-ниска устойчивост от силиконовите устройства, 5 пъти по-бърза скорост на превключване.
Случай 3: GAN RF устройства на базата на силиций
Субстрат: Силиций с висока устойчивост (ниска цена, лесен за интегриране).
Епитаксиален слой:
- Aln Nucleation Layer → облекчава несъответствието на решетката между SI и GAN (16%).
- GAN буферен слой → улавя дефекти и им пречи да се разширят до активния слой.
- Algan\/Gan Heterojunction → образува канал за мобилност с висока електронна мобилност (HEMT).
Приложение: 5G усилвател на базовата станция, с честота над 28 GHz.
