Podłoże jest fizyczną podstawą urządzenia i określa wykonalność i koszt wzrostu epitaksjalnego .
Warstwa epitaksjalna jest rdzeniem funkcjonalnym, a wydajność elektryczna i optyczna jest zoptymalizowana poprzez konstrukcję strukturalną i precyzyjne doping .
Dopasowanie dwóch (krat, ciepło, energia elektryczna) jest kluczem do urządzeń o wysokiej wydajności, kierując technologią półprzewodnikową do wyższej częstotliwości, mocy wyższej i niższego zużycia energii .
1. Podłoże
Definicja i funkcja
Wsparcie fizyczne: podłoże jest nośnikiem urządzenia półprzewodnikowego, zwykle okrągłego lub kwadratowego pojedynczego kryształowego cienkiego arkusza (takiego jak płytki krzemu) .
Szablon kryształów: zapewnia szablon do układu atomowego dla wzrostu warstwy epitaksjalnej, aby upewnić się, że warstwa epitaksjalna jest spójna ze strukturą krystaliczną podłoża (jednorodna epitaksja) lub dopasowuje (heterogeniczna epitaxia) .
Podstawa elektryczna: niektóre substraty bezpośrednio uczestniczą w przewodnictwie urządzeń (takie jak urządzenia zasilające na bazie krzemu) lub służą jako izolatory do izolowania obwodów (takich jak substraty Sapphire) .
2. Porównanie głównego nurtu materiałów podłoża
| Tworzywo | Właściwości | Typowe zastosowania |
| krzem (si) | Niski koszt, dojrzała technologia, średnia przewodność cieplna | Zintegrowany obwód, MOSFET, IGBT |
| szafir (al₂o₃) | Izolacja, odporność na wysoką temperaturę, niedopasowanie dużej sieci (do 13% z GAN) | LED oparte na GAN i urządzenia RF |
| Węglik krzemowy (sic) | Wysoka przewodność cieplna, wysoka wytrzymałość pola rozpadu, oporność w wysokiej temperaturze | Moduły zasilania pojazdu elektrycznego, 5G stacji bazowej urządzenia RF |
| Gallium Arsenide (GAAS) | Doskonałe charakterystyki wysokiej częstotliwości, bezpośrednia bandgap | Układy RF, diody laserowe, ogniwa słoneczne |
| Azotek gali (GAN) | Wysoka mobilność elektronów, rezystancja wysokiego napięcia | Adapter szybkiego ładowania, urządzenie komunikacyjne fali milimetrowej |
3. Podstawowe rozważania dotyczące wyboru podłoża
Dopasowanie sieci: zmniejsz defekty warstwy epitaksjalnej (takie jak niedopasowanie sieci Gan/Sapphire wynoszące 13%, wymagające warstwy bufora) .
Dopasowywanie współczynnika rozszerzania termicznego: Unikaj pękania naprężeń spowodowanych zmianami temperatury .
Kompatybilność kosztów i procesu: na przykład substraty krzemowe dominują w głównym nurcie ze względu na dojrzałe procesy .
2. Warstwa epitaksjalna
1. Definicja i cel
Wzrost epitaksjalny: Zdeponuj pojedyncze krystaliczne cienkie warstwa na powierzchni podłoża metodami chemicznymi lub fizycznymi, a układ atomowy jest ściśle wyrównany z podłożem .
Rola podstawowa:
Poprawić czystość materiału (podłoże może zawierać zanieczyszczenia) .
Konstruuj heterogeniczne struktury (takie jak gaas/algaas kwantowe) .
Izoluj wady podłoża (takie jak wady mikropipe w podłożach SIC) .
2. Klasyfikacja technologii epitaksjalnej
3. kluczowe parametry projektowania warstwy epitaxial
Grubość: od kilku nanometrów (studni kwantowych) do dziesiątek mikronów (warstwa epitaksjalna urządzenia zasilania) .
Doping: precyzyjnie kontroluj stężenie nośnika przez dopracowanie zanieczyszczeń, takich jak fosfor (typ n-typ) i bor (typ p-typ) .
Jakość interfejsu: niedopasowanie sieci należy złagodzić przez warstwy buforowe (takie jak GAN/ALN) lub napięte superlatty .
4. Wyzwania i rozwiązania heteroepitaksyjnego wzrostu sieci kratowej:
Stopniowa warstwa bufora: stopniowo zmieniają skład z podłoża na warstwę epitaksjalną (taką jak warstwa gradientu Algan) .
Warstwa zarodkowania o niskiej temperaturze: Wyhoduj cienkie warstwy w niskiej temperaturze, aby zmniejszyć naprężenie (takie jak niskotemperatura warstwa zarodkowania ALN GAN) .
Niedopasowanie termiczne: Wybierz kombinację materiałów z podobnymi współczynnikami rozszerzania termicznego lub użyj elastycznej konstrukcji interfejsu .
3. Wspólne zastosowanie przypadki podłoża i epitaxy
Przypadek 1: Podłoże LED oparte na GAN: Sapphire (niski koszt, izolacja) .
Struktura epitaksjalna:
Warstwa bufora (ALN lub gan o niskiej temperaturze) → Zmniejsz defekty niedopasowania sieci .
Warstwa gan typu n
Ingan/gan wiele studni kwantowych → Warstwa emitujące światło .
Type P-Type Gan Warstwa → Podaj dziury .
Wynik: Gęstość defektów jest tak niska jak 10⁸ cm⁻², a wydajność świetlistą jest znacznie ulepszona .
Przypadek 2: SIC Power Mosfet
Podłoże: pojedynczy kryształ 4H-SIC (wytrzymanie napięcia do 10 kV) .
Warstwa epitaksjalna:
Warstwa dryfu SIC typu n (grubość 10-100 μm) → wytrzymaj wysokie napięcie .
Region podstawowy typu p-typu → Formacja kanału kontrolnego .
Zalety: 90% niższa oporność niż urządzenia krzemowe, 5 razy szybsza prędkość przełączania .
Przypadek 3: Podłoże urządzenia GAN RF na bazie krzemu: Krzem o wysokiej oporności (niski koszt, łatwa integracja) .
EPILAY: ALN Nukleat warstwa → złagodzić niedopasowanie sieci między Si i Gan (16%) .
Warstwa bufora gan → przechwytywaj defekty i zapobiegaj ich rozciąganiu się na warstwę aktywną .
Algan/Gan HeterOjunction → Formuj kanał o wysokiej mobilności elektronów (HEMT) .
Aplikacja: wzmacniacz mocy stacji bazowej 5G, częstotliwość może osiągnąć więcej niż 28 GHz .
