1. Substraatti
1. Määritelmä ja toiminto
· Fyysinen tuki: Substraatti on puolijohteen laitteen kantaja, yleensä pyöreä tai neliömäinen yhden kide kiekko (kuten pii -kiekko).
· Kristallimalli: Tarjoaa mallin atomijärjestelylle epitaksiaalikerroksen kasvulle varmistaaksesi, että epitaksiaalinen kerros on yhdenmukainen substraattikiteisen rakenteen (homoepitaksiaal) tai vastaavuuksien (heteroepitaksiaali) kanssa.
· Sähköpohja: Osa substraatista osallistuu suoraan laitteen johtamiseen (kuten piikonipohjaiset teholaitteet) tai toimii eristimenä piirin eristämiseksi (kuten safiirisubstraatti).
2.
|
Materiaalit |
Piirteet |
Tyypilliset sovellukset |
|
Pii (Si) |
Alhaiset kustannukset, kypsä tekniikka, keskipitkän lämmönjohtavuus |
Integroituja piirejä, MOSFET, IGBT |
|
Safiiri (al₂o₃) |
Eristys, korkea lämpötilankestävyys, suuri hilan epäsuhta (jopa 13% GAN: n kanssa) |
GAN-pohjaiset LEDit, RF-laitteet |
|
Piharbidi (sic) |
Korkea lämmönjohtavuus, korkea hajoamis kenttälujuus, korkea lämpötilankestävyys |
Sähköajoneuvojen voimamoduulit, 5G tukiaseman RF -laitteet |
|
Gallium arsenidi (GAAS) |
Erinomaiset korkeataajuusominaisuudet, suora kaistakuilu |
RF -sirut, laser diodit, aurinkokennot |
|
Gallium -nitride (GAN) |
korkea elektronien liikkuvuus, korkeajännitekestävyys |
Nopea lataussovitin, millimetrin aaltoviestintälaitteet |
3. Alustan valinnan ydinnäkökohdat
· Hilan sovittaminen: Vähennä epitaksiaalikerroksen vikoja (esim. GAN\/Sapphire -hilan epäsuhta saavuttaa 13%, vaatii puskurikerroksen).
· Lämpölaajennuskertoimen sovittaminen: Vältä lämpötilan muutoksen aiheuttamaa jännityshalkeamista.
· Kustannukset ja prosessien yhteensopivuus: Esimerkiksi piisubstraatit hallitsevat valtavirtaa kypsien prosessien vuoksi.
2. epitaksiaalikerros
1. Määritelmä ja tarkoitus
Epitaksiaalinen kasvu: Yhden kidisen ohutkalvon laskeutuminen substraatin pinnalle kemiallisilla tai fysikaalisilla menetelmillä, atomijärjestely on tiukasti linjassa substraatin kanssa.
Ydintoiminnot:
- Paranna materiaalin puhtautta (substraatti voi sisältää epäpuhtauksia).
- Rakenna heterogeeniset rakenteet (kuten GAAS\/Algaas -kvanttikaivot).
- Eristä substraattivauriot (kuten mikroparikoiden viat sic -substraateilla).
2. epitaksiaalitekniikan luokittelu
|
Tekniikka |
Periaate |
Piirteet |
Sovellettavat materiaalit |
|
MOCVD |
Metalli orgaaninen lähde + kaasureaktio (kuten TMGA + NH₃ GAN: n tuottamiseksi) |
Sopii yhdisteisiin puolijohteisiin, massatuotantoon |
Gan, gaas, inp |
|
Kisko |
Molekyylisädekerroskerrosten kerrostuminen erittäin korkealla tyhjiöllä |
Atomitason hallinta, hidas kasvunopeus, korkeat kustannukset |
Superlattice, kvanttipisteet |
|
LPCVD |
Piilähteen kaasun (kuten SIH₄) lämpöhajoaminen matalapaineessa |
Valtavirran piin epitaksitekniikka, hyvä tasaisuus |
Sige |
|
HVPE |
Korkean lämpötilan halogenidihöyryn faasin epitaksi |
Nopea kasvuvauhti, joka sopii paksuihin kalvoihin (kuten GaN -substraateihin) |
Gan, Zno |
3. Epitaksiaalikerroksen suunnittelun avainparametrit
- Paksuus: Muutamasta nanometristä (kvantti kaivo) kymmeniin mikroneihin (voimalaitteiden epilatorinen).
- Doping: Ohjaa kantoaaltokonsentraatiota tarkasti seoksen epäpuhtauksien, kuten fosforin (N-tyypin) ja boorin (P-tyyppi) avulla.
- Rajapinnan laatu: Hilan epäsuhta on lievitettävä puskurikerroksella (kuten GAN\/ALN) tai kireällä superlatticella.
4. Heteroepitaksiaalisen kasvun haasteet ja ratkaisut
- Hilan epäsuhta:
- Gradienttipuskurikerros: Muuta koostumus vähitellen substraatista epitaksiaalikerrokseen (kuten Algan -gradienttikerros).
- Matalan lämpötilan ytimenmuodostuskerros: Kasvaa ohuita kerroksia alhaisessa lämpötilassa stressin vähentämiseksi (kuten matalan lämpötilan ALN-ytimen kerros GAN).
- Lämpö epäsuhta: Valitse materiaalien yhdistelmä, jolla on samanlaiset lämpölaajennuskertoimet, tai käytä joustavaa rajapinnan suunnittelua.
3. Synergistiset soveltavat substraatin ja epitaksin tapaukset
Tapaus 1: GAN-pohjainen LED
Substraatti: safiiri (alhaiset kustannukset, eristys).
Epitaksiaalinen rakenne:
- Puskurikerros (ALN- tai matalan lämpötilan GaN) → Vähennä hilan epäsuhtavirheitä.
- N-tyyppinen GaN-kerros → Tarjoa elektroneja.
- Ingan\/Gan Multi-Quantum-kaivo → valoa säteilevä kerros.
- P-tyypin GaN-kerros → Anna reikiä.
Tulos: Viantiheys on niin alhainen kuin 10⁸ cm⁻², ja valaistustehokkuus paranee merkittävästi.
Tapaus 2: sic Power Mosfet
Substraatti: 4H-SIC YKSI KIRTI (kestää jännitettä 10 kV: iin).
Epitaksiaalikerros:
- N-tyyppinen sic drift -kerros (paksuus 10-100 μm) → kestää korkeajännitettä.
- P-tyypin sic-pohjaalue → ohjauskanavien muodostuminen.
Edut: 90% alhaisempi resistenssi kuin piisilaitteilla, 5 kertaa nopeampi kytkentänopeus.
Tapaus 3: Piipohjaiset GAN RF -laitteet
Substraatti: Korkean kestävä pii (edulliset, helppo integroida).
Epitaksiaalikerros:
- ALN -ytimenmuodostuskerros → lievittää SI: n ja GAN: n välistä hilan epäsuhta (16%).
- GAN -puskurikerros → Kaappaa vikoja ja estää niitä ulottumasta aktiiviseen kerrokseen.
- Algan\/Gan Heterojunction → muodostaa korkean elektronien liikkuvuuskanavan (HEMT).
Sovellus: 5G tukiaseman tehovahvistin, taajuus yli 28 GHz.
