Substratas yra fizinis prietaiso pagrindas ir nustato epitaksinio augimo galimybes ir sąnaudas.
Epitaksinis sluoksnis yra funkcinis šerdis, o elektrinis ir optinis efektyvumas yra optimizuotas per konstrukcinį dizainą ir tikslų dopingą.
Dviejų (grotelių, šilumos, elektros energijos) suderinimas yra raktas į aukštos kokybės įrenginius, todėl puslaidininkių technologija skatina aukštesnį dažnį, didesnę galią ir mažesnį energijos suvartojimą.
1. Substratas
Apibrėžimas ir funkcija
Fizinė atrama: substratas yra puslaidininkinio įtaiso nešiklis, paprastai apvalus arba kvadratinis vieno kristalo plonas lakštas (pvz., Silicio vaflis).
Kristalų šablonas: pateikia atominio išdėstymo epitaksinio sluoksnio augimo šabloną, kad būtų užtikrintas, jog epitaksinis sluoksnis atitiktų substrato kristalų struktūrą (homogeninę epitaksiją) arba atitikmenis (nevienalytė epitaksija).
Elektros pagrindas: Kai kurie substratai tiesiogiai dalyvauja prietaiso laidume (pvz., Silicio pagrindu pagamintos galios įtaisai) arba tarnauja kaip izoliatoriai, skirtos izoliuoti grandines (pvz., Safyro substratus).
2. Pagrindinių substrato medžiagų palyginimas
| Medžiaga | Savybės | Tipiškos programos |
| Silicis (SI) | Mažos išlaidos, subrendusi technologija, vidutinio šilumos laidumas | Integruota grandinė, MOSFET, IGBT |
| safyras (al₂o₃) | Izoliacija, aukšta atsparumas temperatūrai, didelis grotelių neatitikimas (iki 13% su GAN) | GAN pagrįsti šviesos diodai ir 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, tiesioginis juostos juosta | RF lustai, lazeriniai diodai, saulės elementai |
| Galio nitridas (Gan) | Didelis elektronų mobilumas, didelės įtampos atsparumas | Greitas įkrovimo adapteris, milimetro bangos ryšio įtaisas |
3. Pagrindiniai substrato pasirinkimo aspektai
Grotelės atitikimas: sumažinkite epitaksinio sluoksnio defektus (tokius kaip Gan/Sapphire grotelių neatitikimas 13%, reikalaujant buferio sluoksnio).
Tinkamumo šiluminio išsiplėtimo koeficientas: Venkite streso įtrūkimo, kurį sukelia temperatūros pokyčiai.
Kainos ir proceso suderinamumas: Pavyzdžiui, pagrindinėje dalyje dominuoja silicio substratai dėl subrendusių procesų.
2. Epitaksinis sluoksnis
1. Apibrėžimas ir tikslas
Epitaksinis augimas: kaupiasi vienos krištolo plonos plėvelės ant substrato paviršiaus cheminiais ar fiziniais metodais, o atominis išdėstymas yra griežtai suderintas su substratu.
Pagrindinis vaidmuo:
Pagerinkite medžiagų grynumą (substrate gali būti priemaišų).
Sukurkite nevienalytes struktūras (tokias kaip GaAs/Algaas Quantum Wells).
Išskirkite substrato defektus (tokius kaip SiC substratų mikropipe defektai).
2. Epitaksinės technologijos klasifikacija
3. Pagrindiniai epitaksinio sluoksnio dizaino parametrai
Storis: nuo kelių nanometrų (kvantinių šulinių) iki dešimčių mikronų (maitinimo įtaiso epitaksinis sluoksnis).
Dopingas: tiksliai kontroliuokite nešiklio koncentraciją dopingo priemaišomis, tokiomis kaip fosforas (N-tipo) ir boro (p-tipo).
Sąsajos kokybė: grotelių neatitikimą reikia palengvinti buferiniais sluoksniais (tokiais kaip GAN/ALN) arba įtemptus superlates.
4. Heteroepitaksinio augimo gardelių neatitikimo iššūkiai ir sprendimai:
Laipsniškas 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. 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“ keli kvantiniai šuliniai → 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 pagamintas GAN RF įrenginio substratas: didelio atsparumo silicio (mažos išlaidos, lengva integracija).
Epileristas: Aln branduolio sluoksnis → palengvinkite gardelės neatitikimą tarp Si ir Gan (16%).
GAN buferio sluoksnis → Fiksuokite defektus ir neleiskite jiems išplėsti iki aktyvaus sluoksnio.
Algan/Gan heterojunkction → sudaro aukšto elektronų mobilumo kanalą (HEMT).
Taikymas: 5G bazinės stoties galios stiprintuvas, dažnis gali pasiekti daugiau nei 28 GHz.
