1. Substrāts
1. Definīcija un funkcija
· Fiziskais atbalsts: substrāts ir pusvadītāja ierīces nesējs, parasti apļveida vai kvadrātveida viena kristāla vafele (piemēram, silīcija vafele).
· Kristāla veidne: nodrošina veidni atomu izkārtojumam epitaksiālā slāņa augšanai, lai pārliecinātos, ka epitaksiālais slānis atbilst substrāta kristāla struktūrai (homoepitaxial) vai atbilst (heteroepitaxial).
· Elektriskais pamats: daļa substrāta tieši piedalās ierīces vadībā (piemēram, uz silīcija bāzes enerģijas ierīcēm) vai darbojas kā izolators, lai izolētu ķēžu (piemēram, safīra substrātu).
2. Substrāta materiālu vispārizglītojošo materiālu salīdzinājums
|
Materiāli |
Funkcijas |
Tipiskas lietojumprogrammas |
|
Silīcijs (SI) |
Zemas izmaksas, nobriedušas tehnoloģija, vidēja siltumvadītspēja |
Integrētas shēmas, MOSFET, IGBT |
|
Safīrs (al₂o₃) |
Izolācija, izturība pret augstu temperatūru, liela režģa neatbilstība (līdz 13% ar GAN) |
GAN balstītas gaismas diodes, RF ierīces |
|
Silīcija karbīds (sic) |
Augsta siltumvadītspēja, augsta sadalīšanās lauka stiprība, augsta temperatūras izturība |
Elektrisko transportlīdzekļu jaudas moduļi, 5G bāzes stacijas RF ierīces |
|
Gallium arsenīds (GaAs) |
Lieliskas augstfrekvences raksturlielumi, tiešās joslas sprauga |
RF mikroshēmas, lāzera diodes, saules baterijas |
|
Gallium nitrīds (GAN) |
Augsta elektronu mobilitāte, augstsprieguma izturība |
Ātra uzlādes adapteris, milimetru viļņu sakaru ierīces |
3. pamatnes pamatnes izvēles pamati
· Ratēna saskaņošana: Samaziniet epitaksiālā slāņa defektus (piemēram, GaN\/Sapphire režģa neatbilstība sasniedz 13%, kurai nepieciešams bufera slānis).
· Termiskās izplešanās koeficienta saskaņošana: izvairieties no stresa plaisāšanas, ko izraisa temperatūras izmaiņas.
· Izmaksu un procesu savietojamība: piemēram, silīcija substrāti dominē mainstream nobriedušu procesu dēļ.
2. Epitaksiālais slānis
1. Definīcija un mērķis
Epitaksiālā augšana: viena kristāla plānas plēves nogulsnēšanās uz substrāta virsmas ar ķīmiskām vai fiziskām metodēm, atomu izkārtojumu stingri saskaņojot ar substrātu.
Pamatfunkcijas:
- Uzlabot materiāla tīrību (substrāts var saturēt piemaisījumus).
- Veidojiet neviendabīgas struktūras (piemēram, GaAs\/Algaas kvantu akas).
- Izolējiet substrāta defektus (piemēram, SIC substrātu mikropipu defekti).
2. Epitaksiālās tehnoloģijas klasifikācija
|
Tehnika |
Princips |
Funkcijas |
Piemērojamie materiāli |
|
MOCVD |
Metāla organiskais avots + gāzes reakcija (piemēram, TMGA + NH₃, lai ģenerētu GAN) |
Piemērots saliktiem pusvadītājiem, masveida ražošana |
GAN, GaAs, Inp |
|
MBE |
Molekulārā staru slāņa pa slāņa nogulsnēšana zem īpaši augsta vakuuma |
Atomu līmeņa kontrole, lēns augšanas ātrums, augstas izmaksas |
Superlattice, kvantu punkti |
|
LPCVD |
Silīcija avota gāzes (piemēram, sih₄) termiskā sadalīšanās zemā spiedienā |
Vispārējā silīcija epitaksijas tehnoloģija, laba vienveidība |
Si, sige |
|
HVPE |
Augstas temperatūras haloge tvaika fāzes epitaksija |
Ātrs augšanas ātrums, piemērots biezām plēvēm (piemēram, GaN substrātiem) |
Gan, ZnO |
3. Epitaksiālā slāņa dizaina galvenie parametri
- Biezums: no dažiem nanometriem (kvantu urbums) līdz desmitiem mikronu (enerģijas ierīču epilayer).
- Dopings: precīzi kontrolē nesēja koncentrāciju ar dopinga piemaisījumiem, piemēram, fosforu (N-tips) un boronu (p-tips).
- Interfeisa kvalitāte: Lattice neatbilstība ir jāsamazina ar bufera slāni (piemēram, GAN\/ALN) vai saspringta superlatice.
4. Heteroepitaksiālās izaugsmes izaicinājumi un risinājumi
- Režģa neatbilstība:
- Gradienta bufera slānis: pakāpeniski mainiet sastāvu no substrāta uz epitaksiālo slāni (piemēram, Algan gradienta slānis).
- Zemas temperatūras kodolizācijas slānis: audzējiet plānus slāņus zemā temperatūrā, lai samazinātu stresu (piemēram, GaN zemas temperatūras ALN kodolizācijas slānis).
- Termiskā neatbilstība: atlasiet materiālu kombināciju ar līdzīgiem termiskās izplešanās koeficientiem vai izmantojiet elastīgu interfeisa dizainu.
3. Substrāta un epitaksijas sinerģistiski piemērošanas gadījumi
1. gadījums: GAN balstīta LED
Substrāts: safīrs (zemas izmaksas, izolācija).
Epitaksiālā struktūra:
- Bufera slānis (ALN vai zemas temperatūras GAN) → Samaziniet režģa neatbilstības defektus.
- N-tipa GaN slānis → Nodrošiniet elektronus.
- Ingan\/GAN daudzsekvātu urbums → gaismas izstarojošs slānis.
- P-TYPE GAN slānis → Nodrošiniet caurumus.
Rezultāts: defektu blīvums ir tikpat zems kā 10⁸ cm⁻², un gaismas efektivitāte ir ievērojami uzlabota.
2. gadījums: sic Power Mosfet
Substrāts: 4H-sic viena kristāls (izturas spriegums līdz 10 kV).
Epitaksiālais slānis:
- N-type sic drifta slānis (biezums 10-100 μm) → iztur augstu spriegumu.
- P-TYPE SIC bāzes reģions → Vadības kanāla veidošanās.
Priekšrocības: par 90% zemāka pretestība nekā silīcija ierīcēm, 5 reizes ātrāka pārslēgšanās ātrums.
3. gadījums: Silīcija bāzes GaN RF ierīces
Substrāts: augstas pretestības silīcijs (zemas izmaksas, viegli integrējami).
Epitaksiālais slānis:
- ALN kodolizācijas slānis → mazina režģa neatbilstību starp Si un GAN (16%).
- GaN bufera slānis → uztver defektus un neļauj tiem paplašināties līdz aktīvajam slānim.
- Algan\/GAN heterojunkcija → veido augstu elektronu mobilitātes kanālu (HEMT).
Pielietojums: 5G bāzes stacijas jaudas pastiprinātājs ar frekvenci vairāk nekā 28 GHz.