1. субстрат
1. Визначення та функція
· Фізична підтримка: підкладка - це носій напівпровідникового пристрою, як правило, кругова або квадратна монокристалічна пластина (наприклад, кремнієва пластина).
· Кристалічний шаблон: забезпечує шаблон для атомного розташування для росту епітаксіального шару, щоб переконатися, що епітаксіальний шар відповідає структурі кристала субстрату (гомоепітисального) або відповідності (гетероепітисальна).
· Електрична основа: Частина підкладки безпосередньо бере участь у проведенні пристрою (наприклад, пристрої потужності на основі кремнію) або виконує функції ізолятора для ізоляції схеми (наприклад, сапфірова підкладка).
2. Порівняння основних матеріалів підкладки
|
Матеріали |
Особливості |
Типові програми |
|
Кремнію (СІ) |
Низька вартість, зріла технологія, середня теплопровідність |
Інтегровані схеми, MOSFET, IGBT |
|
Сапфір (al₂o₃) |
Ізоляція, висока температура, велика невідповідність решітки (до 13% з GAN) |
Світлодіоди на базі GAN, RF-пристрої |
|
Карбід кремнію (sic) |
Висока теплопровідність, висока міцність на поле, висока температура |
Модулі живлення електричного транспортного засобу, RF -пристрої 5G базової станції |
|
Арсенід галію (GaAs) |
Відмінні характеристики високої частоти, прямий розрив смуги |
РФ мікросхеми, лазерні діоди, сонячні батареї |
|
Нітрид галію (GAN) |
Висока рухливість електронів, стійкість до високої напруги |
Швидкий адаптер зарядки, пристрої зв'язку з міліметром |
3. Основні міркування для вибору субстрату
· Відповідність решітки: зменшіть дефекти епітаксіального шару (наприклад, невідповідність решітки GAN\/Sapphire досягає 13%, вимагаючи буферного шару).
· Зіставлення коефіцієнтів теплового розширення: Уникайте розтріскування напруги, спричинених змінами температури.
· Сумісність вартості та процесів: Наприклад, кремнієві субстрати домінують у мейнстрімі через зрілі процеси.
2. Епітаксіальний шар
1. Визначення та мета
Епітаксіальний ріст: осадження монокристалічної тонкої плівки на поверхні субстрату хімічними або фізичними методами, атомне розташування суворо узгоджувалося з субстратом.
Основні функції:
- Поліпшення чистоти матеріалу (підкладка може містити домішки).
- Побудуйте гетерогенні структури (такі як квантові свердловини GAAS\/ALGAAS).
- Дефекти субстратів (наприклад, дефекти мікропії на субстратах SIC).
2. Класифікація епітаксіальних технологій
|
Технологія |
Принцип |
Особливості |
Застосовувані матеріали |
|
Моквд |
Металеве органічне джерело + газова реакція (наприклад, tmga + nh₃ для генерування gan) |
Підходить для складних напівпровідників, масове виробництво |
Ган, Гаас, Інп |
|
MBE |
Молекулярний промінь шар за шаром осадження при ультра-високому вакуумі |
Контроль атомного рівня, повільні темпи зростання, висока вартість |
Суператаріка, квантові крапки |
|
LPCVD |
Теплове розкладання газу джерела кремнію (наприклад, sih₄) під низьким тиском |
Основна технологія епітакси кремнію, хороша рівномірність |
SI, SIGE |
|
HVPE |
Епітаксія високої температури галогенідної фази |
Швидкий темп росту, підходить для товстих плівок (таких як субстрати GAN) |
Ган, Zno |
3. Ключові параметри дизайну епітаксіального шару
- Товщина: від кількох нанометрів (квантова колодязь) до десятків мікрон (епілятор потужних пристроїв).
- Допінг: точно контролювати концентрацію носія шляхом допінгу, таких як фосфор (N-тип) та бори (P-тип).
- Якість інтерфейсу: Невідповідність решітки повинна полегшити буферний шар (наприклад, gan\/aln) або напружена суператаріка.
4. Виклики та рішення гетероепітисального зростання
- Невідповідність решітки:
- Градієнтний буферний шар: поступово змінюйте композицію від субстрату на епітаксіальний шар (наприклад, градієнтний шар Algan).
- Низькотемпературний шар зародження: вирощуйте тонкі шари при низькій температурі для зменшення напруги (наприклад, низькотемпературного шару ALN зародження GAN).
- Теплова невідповідність: Виберіть комбінацію матеріалів з подібними коефіцієнтами теплового розширення або використовуйте гнучку конструкцію інтерфейсу.
3. Синергетичні випадки застосування субстрату та епітаксії
Справа 1: Світлодіод на базі Ган
Субстрат: сапфір (низька вартість, ізоляція).
Епітаксіальна структура:
- Буферний шар (ALN або низькотемпературна GAN) → Зменшити дефекти невідповідності решітки.
- Шар N-Type GAN → Забезпечити електрони.
- Інган\/Ган Багатокванмодний колодязь → Світловий шар.
- Шар типу P-Type → Забезпечте отвори.
Результат: щільність дефектів становить 10 ⁸ см⁻², а середня ефективність значно покращується.
Випадок 2: SIC Power Mosfet
Субстрат: монокристал 4H-SIC (витримка напруги до 10 кВ).
Епітаксіальний шар:
- N-тип SIC Drift Sharer (товщина 10-100 мкм) → витримувати високу напругу.
- Базова область P-Type SIC → Формування каналу управління.
Переваги: на 90% нижча на стійкість, ніж кремнієві пристрої, в 5 разів швидше швидкості перемикання.
Випадок 3: пристрої GAN на основі кремнію
Субстрат: Кремнію з високою стійкістю (низька вартість, проста в інтеграції).
Епітаксіальний шар:
- Шар ядра ALN → Полегшує невідповідність решітки між СІ та Ганом (16%).
- Шар буфера GAN → Захоплює дефекти і заважає їм поширюватися на активний шар.
- Алган\/Ган гетероперехід → утворює високий канал мобільності електронів (HEMT).
Застосування: підсилювач потужності базової станції 5G з частотою понад 28 ГГц.