1. Substratas
1. Apibrėžimas ir funkcija
· Fizinė atrama: substratas yra puslaidininkinio įtaiso nešiklis, paprastai apskritas arba kvadratinis vieno kristalo plokštelė (pvz., Silicio plokštelė).
· Kristalų šablonas: pateikia atominio išdėstymo epitaksinio sluoksnio augimo šabloną, siekiant užtikrinti, kad epitaksinis sluoksnis atitiktų substrato kristalų struktūrą (homoepitaksialinę) arba atitikmenis (heteroepitaksinė).
· Elektros pagrindas: Dalis substrato tiesiogiai dalyvauja prietaiso laidoje (pvz., Silicio pagrindu pagamintos galios įtaisai) arba veikia kaip izoliatorius, skirtas atskirti grandinę (pvz., Safyro substratą).
2. Pagrindinių substrato medžiagų palyginimas
|
Medžiagos |
Savybės |
Tipiškos programos |
|
Silicis (SI) |
Mažos išlaidos, subrendusi technologija, vidutinio šilumos laidumas |
Integruotos grandinės, MOSFET, IGBT |
|
Safyras (al₂o₃) |
Izoliacija, aukšta atsparumas temperatūrai, didelis grotelių neatitikimas (iki 13% su GAN) |
Gan pagrindu pagamintos šviesos diodai, RF įrenginiai |
|
Silicio karbidas (sic) |
Didelis šilumos laidumas, didelis skilimo lauko stipris, aukšta atsparumas temperatūrai |
Elektrinių transporto priemonių galios moduliai, 5G bazinės stoties RF įtaisai |
|
Gallium arsenide (GaAs) |
Puikios aukšto dažnio charakteristikos, tiesioginės juostos tarpas |
RF lustai, lazeriniai diodai, saulės elementai |
|
Galio nitridas (Gan) |
Didelis elektronų mobilumas, didelės įtampos atsparumas |
Greitas įkrovimo adapteris, milimetro bangų ryšio įtaisai |
3. Pagrindiniai substrato pasirinkimo aspektai
· Latorės atitikimas: sumažinkite epitaksinio sluoksnio defektus (pvz.
· Šilumos išsiplėtimo koeficiento suderinimas: Venkite streso įtrūkimo, kurį sukelia temperatūros pokyčiai.
· Kainos ir proceso suderinamumas: pavyzdžiui, silicio substratai dominuoja pagrindinėje dalyje dėl subrendusių procesų.
2. Epitaksinis sluoksnis
1. Apibrėžimas ir tikslas
Epitaksinis augimas: vienos kristalinės plonos plėvelės nusėdimas ant substrato paviršiaus cheminiais ar fiziniais metodais, o atominis išdėstymas griežtai suderintas su substratu.
Pagrindinės funkcijos:
- Pagerinkite medžiagų grynumą (substrate gali būti priemaišų).
- Sukurkite heterogenines struktūras (tokias kaip GaAs\/Algaas Quantum Wells).
- Išskirkite substrato defektus (tokius kaip SiC substratų mikropipe defektai).
2. Epitaksinės technologijos klasifikacija
|
Technologija |
Principas |
Savybės |
Taikomos medžiagos |
|
MOCVD |
Metalo organinis šaltinis + dujų reakcija (pvz., TMGA + NH₃ generuoti GAN) |
Tinka sudėtiniams puslaidininkiams, masės gamybai |
Gan, Gaas, INP |
|
MBE |
Molekulinės spindulio sluoksnio nusėdimas po ypač aukštu vakuumu |
Atominio lygio kontrolė, lėtas augimo tempas, didelės išlaidos |
Superlattice, kvantiniai taškai |
|
LPCVD |
Silicio šaltinio dujų (pvz., SIH₄) šiluminis skilimas esant žemam slėgiui |
Pagrindinė silicio epitaksijos technologija, geras vienodumas |
SI, Sige |
|
HVPE |
Aukštos temperatūros halogenido garų fazės epitaksija |
Greitas augimo tempas, tinkamas storoms plėvelėms (tokioms kaip „Gan Substrates“) |
Gan, Zno |
3. Pagrindiniai epitaksinio sluoksnio dizaino parametrai
- Storis: nuo kelių nanometrų (kvantinio šulinio) iki dešimčių mikronų (galios epilo sluoksnio).
- Dopingas: tiksliai kontroliuokite nešiklio koncentraciją dopingo priemaišomis, tokiomis kaip fosforas (N-tipo) ir boro (p-tipo).
- Sąsajos kokybė: grotelių neatitikimą reikia palengvinti buferiniu sluoksniu (pvz., Gan\/ALN) arba įtempta superlaidu.
4. Heteroepitaksinio augimo iššūkiai ir sprendimai
- Grando neatitikimas:
- Gradiento buferio sluoksnis: palaipsniui keičia kompoziciją iš substrato į epitaksinį sluoksnį (pvz., Algano gradiento sluoksnį).
- Žemos temperatūros branduolio sluoksnis: auginkite plonus sluoksnius žemoje temperatūroje, kad sumažintumėte stresą (pvz., Žemos temperatūros ALN branduolio sluoksnį GAN).
- Šiluminis neatitikimas: Pasirinkite medžiagų derinį su panašiais šiluminio išsiplėtimo koeficientais arba naudokite lanksčią sąsajos dizainą.
3. Sinergetiniai substrato ir epitaksijos taikymo atvejai
1 atvejis: GAN pagrįstas LED
Substratas: safyras (mažos išlaidos, izoliacija).
Epitaksinė struktūra:
- Buferio sluoksnis (ALN arba žemos temperatūros GAN) → Sumažinkite gardelių neatitikimo defektus.
- N tipo GAN sluoksnis → Pateikite elektronus.
- „Ingan“\/„Gan Multi-quantum“ šulinys → šviesos sklaidos sluoksnis.
- P tipo Gan sluoksnis → Pateikite skylutes.
Rezultatas: Defektų tankis yra net 10⁸ cm⁻², o šviesos efektyvumas žymiai pagerėja.
2 atvejis: „SiC Power MOSFET“
Substratas: 4H-SIC vieno kristalas (atlaiko įtampą iki 10 kV).
Epitaksinis sluoksnis:
- N tipo sic dreifo sluoksnis (storis 10-100 μm) → Atlaiko aukštą įtampą.
- P tipo sic bazinis regionas → valdymo kanalo formavimas.
Privalumai: 90% mažesnis atsparumas atsparumui nei silicio įtaisai, 5 kartus greitesnis perjungimo greitis.
3 atvejis: Silicio pagrindu pagaminti GAN RF įtaisai
Substratas: didelio atsparumo silicio (mažos išlaidos, lengvai integruotas).
Epitaksinis sluoksnis:
- ALN branduolio sluoksnis → palengvina Si ir Gan gardelės neatitikimą (16%).
- GAN buferio sluoksnis → Fiksuoja defektus ir neleidžia jiems išplėsti iki aktyvaus sluoksnio.
- Algan\/Gan heterojunkcija → sudaro aukšto elektronų mobilumo kanalą (HEMT).
Taikymas: 5G bazinės stoties galios stiprintuvas, kurio dažnis yra didesnis nei 28 GHz.