Субстратът е физическата основа на устройството и определя осъществимостта и цената на епитаксиалния растеж .
Епитаксиалният слой е функционалното ядро, а електрическите и оптичните характеристики са оптимизирани чрез структурен дизайн и прецизен допинг .
Съпоставянето на двете (решетка, топлина, електричество) е ключът към високоефективните устройства, задвижващи полупроводникови технологии до по-висока честота, по-висока мощност и по-ниска консумация на енергия .
1. субстрат
Определение и функция
Физическа поддръжка: Субстратът е носител на полупроводниковото устройство, обикновено кръгъл или квадратен единичен кристален тънък лист (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 с кристалната структура на субстрата (хомогенна епитаксия) или съвпадения (хетерогенна епитакси).
Електрическа основа: Някои субстрати директно участват в проводимостта на устройството (като например силиконови захранващи устройства) или служат като изолатори за изолиране на вериги (като Sapphire Substrates) .
2. Сравнение на основните субстратни материали
| Материал | Свойства | Типични приложения |
| Силиций (SI) | Ниска цена, зряла технология, средна топлопроводимост | Интегрална верига, MOSFET, IGBT |
| Сапфир (Al₂o₃) | Изолация, висока температурна устойчивост, голямо несъответствие на решетката (до 13% с GAN) | GAN базирани светодиоди и 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 лента | RF чипове, лазерни диоди, слънчеви клетки |
| Галий нитрид (GAN) | Висока мобилност на електрон, високо съпротивление на напрежението | Адаптер за бързо зареждане, Millimeter Wave Communication устройство |
3. Основни съображения за избор на субстрат
Съпоставяне на решетката: Намаляване на дефектите на епитаксиалния слой (като GAN/Sapphire Martice несъответствие от 13%, изискващ буферен слой) .
Съпоставяне на коефициента на термично разширение: Избягвайте напукване на напрежението, причинено от температурни промени .
Съвместимост на разходите и процесите: Например силиконовите субстрати доминират в основния поток поради зрели процеси .
2. епитаксиален слой
1. Определение и цел
Епитаксиален растеж: отлагайте единични кристални тънки филми върху повърхността на субстрата чрез химически или физически методи, а атомната подредба е строго подравнена с субстрата .
Основна роля:
Подобряване на чистотата на материала (субстрата може да съдържа примеси) .
Конструиране на хетерогенни структури (като GAAS/Algaas Quantum Wells) .
Изолирайте дефекти на субстрата (като дефекти на микропипи в SIC субстрати) .
2. Класификация на епитаксиалната технология
3. Параметри на ключовете на дизайна на епитаксиалния слой
Дебелина: От няколко нанометра (квантови кладенци) до десетки микрони (епитаксиален слой на захранването) .
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 буферни слоеве (като GAN/ALN) или обтегнати суперплатици .
4. Предизвикателства и решения на хетероепитаксиалния несъответствие на решетката за растеж:
Постепенно буферен слой: Постепенно променете състава от субстрат в епитаксиален слой (като градиентен слой на Algan) .
Нискотемпературен ядрен слой: Отглеждайте тънки слоеве при ниска температура, за да намалите стреса (като нискотемпературен алн ядрен слой на GAN) .
Термично несъответствие: Изберете комбинация от материали с подобни коефициенти на термично разширение или използвайте гъвкав дизайн на интерфейса .
3. Случайни случаи на приложение на субстрат и епитаксия
Случай 1: LED субстрат на базата на GAN: Сапфир (ниска цена, изолация) .
Епитаксиална структура:
Буферен слой (ALN или GAN с ниска температура) → Намаляване на несъответствията на решетката .
N-тип GAN слой → Осигурете електрони .
INGAN/GAN множество квантови кладенци → 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 Drift слой (дебелина 10-100 μm) → издържа на високо напрежение .
P-Type SIC BASE REGION → Формиране на контролния канал .
Предимства: 90% по-ниска устойчивост от силиконовите устройства, 5 пъти по-бърза скорост на превключване .
Случай 3: Силиконов базиран GAN RF устройство Субстрат: Силиций с висока устойчивост (ниска цена, лесна интеграция) .
Epilayer: Aln Nucleation Layer → Алевирайте несъответствието на решетката между SI и GAN (16%) .
GAN буферен слой → заснемане на дефекти и предотвратяване на разширяване на активния слой .
Algan/gan heterojunction → образувайте канал за мобилност на високата електрон (HEMT) .
Приложение: 5G усилвател на базовата станция, честотата може да достигне повече от 28 GHz .