Substraatti on laitteen fyysinen perusta ja määrittää epitaksiaalisen kasvun toteutettavuuden ja kustannukset .
Epitaksiaalikerros on toiminnallinen ydin, ja sähköinen ja optinen suorituskyky on optimoitu rakenteellisen suunnittelun ja tarkan dopingin avulla .
Näiden kahden (hilan, lämmön, sähkö) sovittaminen on avain korkean suorituskyvyn laitteisiin, puolijohdetekniikan ajamiseen korkeampaan taajuuteen, suurempaan tehon ja pienemmän tehonkulutukseen .
1. substraatti
Määritelmä ja funktio
Fyysinen tuki: Substraatti on puolijohdelaitteen kantaja, yleensä pyöreä tai neliömäinen yhden kristallin ohut arkki (kuten pii -kiekko) .
Kristallimalli: Tarjoaa mallin atomijärjestelylle epitaksiaalikerroksen kasvulle varmistaaksesi, että epitaksiaalikerros on yhdenmukainen substraattikiteisen rakenteen (homogeenisen epitaksi) tai vastaavien (heterogeenisen epitaksi) kanssa . kanssa
Sähköpohja: Jotkut substraatit osallistuvat suoraan laitteen johtavuuteen (kuten piitapohjaiset teholaitteet) tai toimivat eristeinä eristämään piirejä (kuten safiirialustat) .
2. valtavirran substraattimateriaalien vertailu
| Materiaali | Ominaisuudet | Tyypilliset sovellukset |
| pii (Si) | Alhaiset kustannukset, kypsä tekniikka, keskipitkän lämmönjohtavuus | integroitu piiri, MOSFET, IGBT |
| safiiri (al₂o₃) | eristys, korkea lämpötilankestävyys, suuri hilan epäsuhta (jopa 13% GAN: n kanssa) | GAN-pohjaiset LEDit ja RF-laitteet |
| Piharbidi (sic) | Korkea lämmönjohtavuus, korkea hajoamis kenttälujuus, korkea lämpötilankestävyys | Sähköajoneuvojen voimamoduulit, 5G tukiaseman RF -laitteet |
| Gallium arsenidi (GAAS) | Erinomaiset korkeataajuusominaisuudet, suora kaistanlevy | RF -sirut, laser diodit, aurinkokennot |
| Gallium -nitride (GAN) | Korkea elektronien liikkuvuus, korkeajännitekestävyys | Nopea lataussovitin, millimetrin aaltoviestintälaite |
3. Ydinnäkökohdat substraatin valinnassa
Hilan sovittaminen: Vähennä epitaksiaalikerroksen vikoja (kuten GAN/Sapphire -hilan epäsuhta 13%, vaatii puskurikerroksen) .
Lämpölaajennuskerroin: Vältä lämpötilan muutosten aiheuttamia rasitushalkeamia .
Kustannus- ja prosessien yhteensopivuus: Esimerkiksi piisubstraatit hallitsevat valtavirtaa kypsien prosessien . vuoksi .
2. epitaksiaalikerros
1. määritelmä ja tarkoitus
Epitaksiaalinen kasvu: tallettaa yhden kidisen ohutkalvon substraatin pinnalle kemiallisilla tai fysikaalisilla menetelmillä, ja atomijärjestely on tiukasti linjattu substraatin kanssa .
Ydinrooli:
Paranna materiaalin puhtautta (substraatti voi sisältää epäpuhtauksia) .
Rakenteelliset heterogeeniset rakenteet (kuten gaas/algaas -kvantti kaivot) .
Eristiset substraattiset viat (kuten mikroparit viat sic -substraateissa) .
2. epitaksiaalitekniikan luokittelu
3. Epitaksiaalikerroksen suunnittelun avainparametrit
Paksuus: Muutamasta nanometristä (kvanttikaivoista) kymmeniin mikroniin (teholaitteen epitaksiaalikerros) .
Doping: Ohjaa kantoaaltopitoisuutta tarkasti seoksen epäpuhtauksien, kuten fosforin (N-tyypin) ja boorin (P-tyyppi) . avulla
Rajapinnan laatu: Hilan epäsuhta on lievitettävä puskurikerroksia (kuten Gan/ALN) tai kireät superlattices .
4. haasteet ja ratkaisut heteroepitaksiaalisen kasvun hilan epäsuhta:
Asteittainen puskurikerros: Muuta koostumusta vähitellen substraatista epitaksiaalikerrokseen (kuten algan -gradienttikerros) .
Matalan lämpötilan ytimenmuodostuskerros: Kasvaa ohuita kerroksia matalassa lämpötilassa stressin vähentämiseksi (kuten matalan lämpötilan ALN-ytimen kerros GAN) .
Lämpökohtaus: Valitse materiaalien yhdistelmä, jolla on samanlaiset lämmön laajennuskertoimet, tai käytä joustavaa rajapinnan suunnittelua .
3. substraatin ja epitaksin yhteistyötapaukset
Tapaus 1: GAN-pohjainen LED-substraatti: safiiri (alhaiset kustannukset, eristys) .
Epitaksiaalinen rakenne:
Puskurikerros (ALN- tai matalan lämpötilan GaN) → Vähennä hilan epäsuhta vikoja .
N-tyyppinen GaN-kerros → Anna elektronit .
Ingan/gan useita kvanttikaivoja → valoa säteilevä kerros .
P-tyypin GaN-kerros → Anna reikiä .
Tulos: Viantiheys on niinkin alhainen kuin 10⁸ cm⁻², ja valaistustehokkuus paranee merkittävästi .
Tapaus 2: sic Power Mosfet
Substraatti: 4H-SIC YKSI KIRTI (kestää jännite 10 kV: iin) .
Epitaksiaalikerros:
N-tyyppinen sic drift kerros (paksuus 10-100 μm) → kestää korkeajännitettä .
P-tyypin sic-pohjaalue → ohjauskanavan muodostuminen .
Edut: 90% alhaisempi vastustuskyky kuin piisilaitteilla, 5 kertaa nopeampi kytkentänopeus .
Tapaus 3: Piipohjainen GaN RF -laitteen substraatti: Korkean kestävyyden pii (alhaiset kustannukset, helppo integrointi) .
Epilayer: ALN -ytimenmuodostuskerros → lievittää hilan epäsuhta Si: n ja GAN: n välillä (16%) .
GAN -puskurikerros → Kaappausvirheet ja estävät niitä ulottumasta aktiiviseen kerrokseen .
Algan/Gan Heterojunction → Muotoile korkea elektronien liikkuvuuskanava (hemt) .
Sovellus: 5G tukiaseman tehovahvistin, taajuus voi saavuttaa yli 28 GHz .