1. substraat
1. määratlus ja funktsioon
· Füüsiline tugi: substraat on pooljuhtide seadme kandja, tavaliselt ümmargune või ruudukujuline üksikkristallvahver (näiteks räni vahvel).
· Kristallmall: annab malli epitaksiaalse kihi kasvu aatomi paigutuseks, et tagada epitaksiaalse kihi kooskõla substraadi kristallstruktuuri (homoepitaksiaalne) või matšidega (heteroepitaksiaalne).
· Elektriline alus: osa substraadist osaleb otseselt seadme juhtivuses (näiteks ränipõhised toiteseadmed) või toimib vooluringi isoleerimiseks (näiteks safiirsubstraadi) isolaatorina.
2. Peavoolu substraadi materjalide võrdlus
|
Materjalid |
Omadused |
Tüüpilised rakendused |
|
Räni (Si) |
Odav, küps tehnoloogia, keskmine soojusjuhtivus |
Integreeritud vooluringid, MOSFET, IGBT |
|
Safiir (al₂o₃) |
Isolatsioon, kõrge temperatuuri vastupidavus, suur võre ebakõla (GAN -iga kuni 13%) |
Ganil põhinevad LED-id, RF-seadmed |
|
Ränikarbiid (sic) |
Kõrge soojusjuhtivus, kõrge lagunemisvälja tugevus, kõrge temperatuurikindlus |
Elektrisõidukite toitemoodulid, 5G tugijaama RF -seadmed |
|
Gallium arseniid (Gaas) |
Suurepärased kõrgsageduslikud omadused, otsese ribavahe |
RF -kiibid, laserdioodid, päikeserakud |
|
Galliumnitriid (GAN) |
Kõrge elektronide liikuvus, kõrge pingetakistus |
Kiire laadimisadapter, millimeetri laine kommunikatsiooniseadmed |
3. Substraadi valimise põhilised kaalutlused
· Võre sobitamine: vähendage epitaksiaalse kihi defekte (nt GAN/SAPPHIRIRE LATTICE ebakõla ulatub 13%-ni, nõudes puhverkihti).
· Soojuspaisumisteguri sobitamine: vältige temperatuurimuutustest põhjustatud stressi pragunemist.
· Kulude ja protsesside ühilduvus: näiteks torude protsesside tõttu domineerivad silikoonisubstraadid.
2. epitaksiaalne kiht
1. Definitsioon ja eesmärk
Epitaksiaalne kasv: üksikkristallide õhukese kile sadestumine substraadi pinnale keemiliste või füüsikaliste meetodite abil, aatomi paigutus on rangelt substraadiga joondatud.
Põhifunktsioonid:
- Parandage materiaalset puhtust (substraat võib sisaldada lisandeid).
- Ehitage heterogeenseid struktuure (näiteks GAAS/ALGAAS kvantkaevusid).
- Isoleerige substraadi defektid (näiteks mikropipi defektid SIC substraatidel).
2. epitaksiaalse tehnoloogia klassifikatsioon
|
Tehnoloogia |
Põhimõte |
Omadused |
Kohaldatavad materjalid |
|
Mocvd |
Metallist orgaaniline allikas + gaasireaktsioon (näiteks TMGA + NH₃ GAN -i genereerimiseks) |
Sobib ühendi pooljuhtidele, masstootmisele |
Gan, Gaas, INP |
|
MBE |
Molekulaarkiire kihtide kaupa ladestumine ülikõrge vaakumina |
Aatomitaseme kontroll, aeglane kasvutempo, kõrged kulud |
Superlattice, kvantpunktid |
|
LPCVD |
Räni allikagaasi (näiteks SiH₄) termiline lagunemine madala rõhu all |
Tavapärase räni epitaxy tehnoloogia, hea ühtlus |
Si, sige |
|
Hvpe |
Kõrge temperatuuriga halogeniidi aurufaas epitaksia |
Kiire kasvukiirus, mis sobib paksudele kiledele (näiteks GAN -substraadid) |
Gan, zno |
3. Epitaksiaalse kihi kujundamise peamised parameetrid
- Paksus: alates mõnest nanomeetrist (kvantkaevu) kuni kümnete mikroniteni (toiteseadmete epilayer).
- Doping: kontrollige kandekontsentratsiooni täpselt selliste lisanditega, näiteks fosfori (N-tüüpi) ja boori (p-tüüpi) abil.
- Liidese kvaliteet: Võre ebakõla peab leevendama puhverkihi (näiteks GAN/ALN) või pingelise ülivõrre.
4. Heteroepitaksiaalse kasvu väljakutsed ja lahendused
- Võre ebakõla:
- Gradient puhverkiht: muutke kompositsiooni järk -järgult substraadist epitaksiaalseks kihiks (näiteks Algan Gradient kiht).
- Madala temperatuuriga tuuma moodustumiskiht: kasvatage madalal temperatuuril õhukeseid kihte, et vähendada stressi (näiteks GAN-i madala temperatuuriga ALN-i tuuma moodustumiskiht).
- Termiline ebakõla: valige sarnaste soojuspaisumisteguritega materjalide kombinatsioon või kasutage paindlikku liidese kujundust.
3. substraadi ja epitaksia sünergistlikud rakendused
1. juhtum: GAN-põhine LED
Substraat: safiir (odav, isolatsioon).
Epitaksiaalne struktuur:
- Puhverkiht (ALN või madala temperatuuriga GAN) → Vähendage võre ebakõladefekte.
- N-tüüpi gan kiht → varustage elektronid.
- Ingan/GAN Multi-Quantum Well → Valgust kiirgav kiht.
- P-Type Gan kiht → Andke augud.
Tulemus: defekti tihedus on nii madal kui 10 ° CM⁻² ja helendavat tõhusust paraneb märkimisväärselt.
2. juhtum: sic võimsus mosfet
Substraat: 4H-SIC üksikkristall (talub pinget kuni 10 kV).
Epitaksiaalne kiht:
- N-tüüpi sic triivikiht (paksus 10-100 μm) → talub kõrget pinget.
- P-tüüpi SIC baaspiirkond → Juhtimiskanali moodustumine.
Eelised: 90% madalam resistentsus kui räniseadmed, 5 korda kiiremini lülituskiirus.
3. juhtum: ränipõhised GAN RF-seadmed
Substraat: kõrge vastupidavusega räni (odav, hõlpsasti integreerimine).
Epitaksiaalne kiht:
- ALN -i tuuma moodustuskiht → leevendab SI ja GANi vahelise võre mittevastavust (16%).
- GAN -puhverkiht → hõivab defektid ja takistab neil aktiivse kihi laienemist.
- Algan/GAN heterojunktsioon → moodustab suure elektronide liikuvuskanali (HEMT).
Rakendus: 5G tugijaama toitevõimendi, sagedusega üle 28 GHz.
