Субстрат - це фізична основа пристрою і визначає доцільність та вартість епітаксіального зростання.
Епітаксіальний шар - це функціональне ядро, а електричні та оптичні показники оптимізовані за допомогою структурної конструкції та точного допінгу.
Відповідність двох (решітки, тепла, електроенергії) є ключем до високопродуктивних пристроїв, що сприяє розвитку напівпровідникової технології до більш високої частоти, більш високої потужності та меншого споживання електроенергії.
1. Субстрат
Визначення та функція
Фізична підтримка: Підкладка - це носій напівпровідникового пристрою, як правило, круглий або квадратний монокристалічний тонкий аркуш (наприклад, кремнієва пластина).
Кристалічний шаблон: забезпечує шаблон для атомного розташування для росту епітаксіального шару, щоб переконатися, що епітаксіальний шар відповідає кристалічній структурі субстрату (однорідної епітаксії) або відповідності (гетерогенна епітаксія).
Електрична основа: Деякі субстрати безпосередньо беруть участь у провідності пристроїв (наприклад, силіконові пристрої на основі кремнію) або служать ізоляторами для ізоляції ланцюгів (таких як сапфірові субстрати).
2. Порівняння основних матеріалів підкладки
| Матеріал | Властивості | Типові програми |
| Кремнію (СІ) | Низька вартість, зріла технологія, середня теплопровідність | Інтегрована схема, MOSFET, IGBT |
| Сапфір (al₂o₃) | Ізоляція, висока температура, велика невідповідність решітки (до 13% з GAN) | Світлодіоди на базі GAN та 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 високочастотні характеристики, пряма смуга | РФ мікросхеми, лазерні діоди, сонячні батареї |
| Нітрид галію (GAN) | Висока рухливість електронів, стійкість до високої напруги | Швидкий адаптер зарядки, пристрій зв'язку з міліметром |
3. Основні міркування для вибору субстрату
Відповідність решітки: зменшіть дефекти епітаксіального шару (наприклад, невідповідність решітки ґан/сапфір на 13%, що вимагає буферного шару).
Відповідність коефіцієнта теплового розширення: уникайте розтріскування напруги, спричинених змінами температури.
Сумісність витрат та процесів: Наприклад, кремнієві субстрати домінують у мейнстрімі через зрілі процеси.
2. Епітаксіальний шар
1. Визначення та мета
Епітаксіальний ріст: відкладення монокристалічних тонких плівок на поверхні субстрату хімічними або фізичними методами, а атомне розташування суворо узгоджується з субстратом.
Основна роль:
Поліпшення чистоти матеріалу (підкладка може містити домішки).
Побудуйте гетерогенні структури (такі як квантові свердловини GaAs/Algaas).
Дефекти субстрату (наприклад, дефекти мікропії в субстратах SIC).
2. Класифікація епітаксіальних технологій
3. Ключові параметри дизайну епітаксіального шару
Товщина: від кількох нанометрів (квантові свердловини) до десятків мікрон (епітаксіальний шар живлення).
Допінг: точно контролювати концентрацію носія шляхом допінгу, таких як фосфор (N-тип) та бори (P-тип).
Якість інтерфейсу: Невідповідність решітки повинна полегшити буферними шарами (такими як GAN/ALN) або напруженими суператватами.
.
Поступовий 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. Спільні випадки застосування субстрату та епітактики
Випадок 1: Світлодіодний підкладка на основі GAN: сапфір (низька вартість, ізоляція).
Епітаксіальна структура:
Буферний шар (ALN або низькотемпературна GAN) → Зменшити дефекти невідповідності решітки.
Шар N-Type GAN → Забезпечити електрони.
Інган/Ган Множинні квантові свердловини → 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: Підкладка пристрою GAN на основі кремнію: Кремній стійкість (низька вартість, проста інтеграція).
Епілятор: шар ядра Aln → полегшити невідповідність решітки між СІ та Ганом (16%).
Шар буфера GAN → Захоплення дефектів і запобігає їх поширюватися до активного шару.
Алган/Ган Гетероперехід → Формуйте високий канал рухливості електронів (HEMT).
Застосування: підсилювач потужності базової станції 5G, частота може досягати більше 28 ГГц.
