Substrāts ir ierīces fiziskais pamats un nosaka epitaksiālās izaugsmes iespējamību un izmaksas . izmaksas
Epitaksiālais slānis ir funkcionālais kodols, un elektriskā un optiskā veiktspēja tiek optimizēta, izmantojot strukturālo dizainu un precīzu dopingu .
Divu (režģa, siltuma, elektrības) atbilstība ir augstas veiktspējas ierīču atslēga, pusvadītāju tehnoloģijas vadīšana uz augstāku frekvenci, augstāka jauda un zemāks enerģijas patēriņš .
1. substrāts
Definīcija un funkcija
Fiziskais atbalsts: substrāts ir pusvadītāju ierīces nesējs, parasti apaļa vai kvadrātveida viena kristāla plāna loksne (piemēram, silīcija vafele) .
Kristāla veidne: nodrošina veidni atomu izkārtojumam epitaksiālā slāņa augšanai, lai pārliecinātos, ka epitaksiālais slānis atbilst substrāta kristāla struktūrai (viendabīga epitaksija) vai atbilst (neviendabīga epitaksija) .
Elektriskais pamats: Daži substrāti tieši piedalās ierīču vadībā (piemēram, silīcija balstītas enerģijas ierīces) vai kalpo kā izolatori, lai izolētu shēmas (piemēram, safīra substrātus) .
2. vispārējo substrāta materiālu salīdzinājums
| Materiāls | Īpašības | Tipiskas lietojumprogrammas |
| silīcijs (SI) | Zemas izmaksas, nobriedušas tehnoloģija, vidēja siltumvadītspēja | Integrēta shēma, MOSFET, IGBT |
| safīrs (al₂o₃) | izolācija, izturība pret augstu temperatūru, liela režģa neatbilstība (līdz 13% ar GAN) | GAN balstītas gaismas diodes un 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, tiešā josla | RF mikroshēmas, lāzera diodes, saules baterijas |
| Gallium nitrīds (GAN) | Augsta elektronu mobilitāte, augsts sprieguma izturība | Ātra uzlādes adapteris, milimetru viļņu sakaru ierīce |
3. pamatnes apsvērumi substrāta atlasei
RATICE SAISTĪBA: Samaziniet epitaksiālā slāņa defektus (piemēram, GaN/Sapphire režģa neatbilstību 13%, kurai nepieciešama bufera slānis) .
Atbilstošs termiskās izplešanās koeficients: izvairieties no stresa plaisāšanas, ko izraisa temperatūras izmaiņas .
Izmaksu un procesa savietojamība: piemēram, silīcija substrāti dominē mainstream nobriedušu procesu dēļ .
2. epitaksiālais slānis
1. definīcija un mērķis
Epitaksiālais augšana: nogulsnējiet vienas kristāla plānas plēves uz substrāta virsmas ar ķīmiskām vai fiziskām metodēm, un atomu izkārtojums ir stingri saskaņots ar substrātu .
Galvenā loma:
Uzlabot materiāla tīrību (substrāts var saturēt piemaisījumus) .
Konstrukcijas neviendabīgas struktūras (piemēram, GaAs/Algaas kvantu akas) .
Izolēt substrāta defektus (piemēram, mikropipu defekti SIC substrātos) .
2. Epitaksiālās tehnoloģijas klasifikācija
3. Epitaksiālā slāņa dizaina galvenie parametri
Biezums: no dažiem nanometriem (kvantu akām) līdz desmitiem mikronu (barošanas ierīces epitaksiālais slānis) .
Dopings: precīzi kontrolē nesēja koncentrāciju ar dopinga piemaisījumiem, piemēram, fosforu (n-tips) un boronu (p-tips) .
Interfeisa kvalitāte: Lattice neatbilstība ir jāsamazina ar bufera slāņiem (piemēram, GAN/ALN) vai saspringtiem superlattices .
4. Heteroepitaxial augšanas režģa neatbilstības izaicinājumi un risinājumi:
Pakāpenisks 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. sadarbības substrāta un epitaksijas lietojumprogrammu gadījumi
1. gadījums: GAN balstīts LED substrāts: safīrs (zemas izmaksas, izolācija) .
Epitaksiālā struktūra:
Bufera slānis (ALN vai zemas temperatūras GAN) → Samaziniet režģa neatbilstības defektus .
N-type GAN slānis → Nodrošiniet elektronus .
Ingan/GAN Vairākas kvantu akas → Light Rysting 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) → Iziet augstsprieguma .
P-Type Sic bāzes reģions → Vadības kanāla veidošanās .
Priekšrocības: par 90% zemāka pretestība nekā silīcija ierīcēm, 5 reizes ātrāka pārslēgšanās ātrums .
3. gadījums: uz silīcija bāzes GAN RF ierīces substrāts: augstas pretestības silīcijs (zemas izmaksas, ērta integrācija) .
Epilayer: ALN kodolizācijas slānis → mazināt režģa neatbilstību starp Si un Gan (16%) .
GAN bufera slānis → Uztveriet defektus un neļaujiet tiem paplašināties līdz aktīvajam slānim .
Algan/GAN heterojunkcija → veido augstu elektronu mobilitātes kanālu (HEMT) .
Pielietojums: 5G bāzes stacijas jaudas pastiprinātājs, frekvence var sasniegt vairāk nekā 28 GHz .