1. Substrat
1. Definition und Funktion
· Physikalische Unterstützung: Das Substrat ist der Träger der Halbleitervorrichtung, normalerweise ein kreisförmiger oder quadratischer Einkristallwafer (wie ein Siliziumwafer).
· Kristallvorlage: Bietet eine Vorlage für die Atomanordnung für das Wachstum der epitaxialen Schicht, um sicherzustellen, dass die epitaxiale Schicht mit der Substratkristallstruktur (homoepitaxiale) oder Übereinstimmungen (heteroepitaxial) übereinstimmt.
· Elektrische Basis: Ein Teil des Substrats beteiligt sich direkt an der Leitung des Geräts (z. B. in Siliziumbasis-Leistungsgeräten) oder wirkt als Isolator für die Isolierung der Schaltung (wie ein Saphir-Substrat).
2. Vergleich von Mainstream -Substratmaterialien
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Materialien |
Merkmale |
Typische Anwendungen |
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Silizium (Si) |
Niedrige Kosten, reife Technologie, mittlere thermische Leitfähigkeit |
Integrierte Schaltungen, MOSFET, IGBT |
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Saphir (Al₂o₃) |
Isolierung, Hochtemperaturwiderstand, große Gitterfehlanpassung (bis zu 13% mit GaN) |
GaN-basierte LEDs, RF-Geräte |
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Siliziumkarbid (sic) |
Hohe thermische Leitfähigkeit, hohe Abbaufeldstärke, hohe Temperaturbeständigkeit |
Elektrofahrzeug -Leistungsmodule, 5G Basisstation RF -Geräte |
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Gallium Arsenid (Gaas) |
Ausgezeichnete Hochfrequenzeigenschaften, direkte Bandlücke |
HF -Chips, Laserdioden, Solarzellen |
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Galliumnitrid (Gan) |
hohe Elektronenmobilität, Hochspannungswiderstand |
Schneller Ladeadapter, Millimeter -Wellenkommunikationsgeräte |
3. Kernüberlegungen für die Substratauswahl
· Gitteranpassung: Reduzieren Sie epitaxiale Schichtdefekte (z. B. Gan\/Saphir -Gitter -Fehlanpassung erreicht 13%und erfordert eine Pufferschicht).
· Matchierung des thermischen Expansionskoeffizienten: Vermeiden Sie Spannungsrisse, die durch Temperaturänderungen verursacht werden.
· Kosten- und Prozesskompatibilität: Beispielsweise dominieren Siliziumsubstrate den Mainstream aufgrund ausgereifter Prozesse.
2. Epitaxiale Schicht
1. Definition und Zweck
Epitaxialwachstum: Ablagerung des Einkristall -Dünnfilms auf der Substratoberfläche durch chemische oder physikalische Methoden, wobei die Atomanordnung streng mit dem Substrat ausgerichtet ist.
Kernfunktionen:
- Verbesserung der materiellen Reinheit (das Substrat kann Verunreinigungen enthalten).
- Bauen Sie heterogene Strukturen (wie GaAs\/Algaas Quantenbrunnen).
- Isolieren Sie Substratdefekte (z. B. Mikropipe -Defekte gegen SIC -Substrate).
2. Klassifizierung der epitaxialen Technologie
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Technologie |
Prinzip |
Merkmale |
Anwendbare Materialien |
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Mocvd |
Metall organische Quelle + Gasreaktion (wie TMGA + NH₃, um GaN zu erzeugen) |
Geeignet für zusammengesetzte Halbleiter, Massenproduktion |
Gan, Gaas, Inp |
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MBE |
Molekularstrahlschicht-für-Schicht-Ablagerung unter ultrahohen Vakuum |
Kontrollkontrolle auf Atomebene, langsame Wachstumsrate, hohe Kosten |
Superlattice, Quantenpunkte |
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LPCVD |
Wärmezersetzung von Siliziumquellengas (wie Sih₄) unter niedrigem Druck |
Mainstream -Silizium -Epitaxy -Technologie, gute Einheitlichkeit |
Si, Sige |
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HVPE |
Hochtemperatur -Halogenid -Dampfphase -Epitaxie |
Schnelle Wachstumsrate, geeignet für dicke Filme (wie Gan -Substrate) |
Gan, Zno |
3.. Schlüsselparameter des epitaxialen Schichtdesigns
- Dicke: Von einigen Nanometern (Quantenbrunnen) bis zu zehn Mikrometern (Epilayer von Leistungsgeräten).
- Dotierung: Beheben Sie die Trägerkonzentration genau durch Dotierung von Verunreinigungen wie Phosphor (N-Typ) und Bor (P-Typ).
- Schnittstellenqualität: Gitterfehlanpassung muss durch Pufferschicht (wie GaN\/ALN) oder angespannte Superlattice gelindert werden.
4. Herausforderungen und Lösungen des heteroepitaxialen Wachstums
- Gitterfehlanpassung:
- Gradientenpufferschicht: Ändern Sie die Zusammensetzung allmählich von Substrat auf epitaxiale Schicht (z. B. Algan -Gradientenschicht).
- Niedrigtemperaturkeimbildungsschicht: Wachsen Sie dünne Schichten bei niedriger Temperatur, um die Spannung zu verringern (z.
- Thermische Fehlanpassung: Wählen Sie eine Kombination von Materialien mit ähnlichen thermischen Expansionskoeffizienten aus oder verwenden Sie ein flexibles Schnittstellendesign.
3.. Synergistische Anwendungsfälle von Substrat und Epitaxie
Fall 1: LED in Gan ansässig
Substrat: Saphir (niedrige Kosten, Isolierung).
Epitaxiale Struktur:
- Pufferschicht (ALN- oder Low-Temperature-GaN) → Nichtübereinstimmungsdefekte von Gitter reduzieren.
- N-Typ-Gan-Schicht → Elektronen bereitstellen.
- Ingan\/Gan Multi-Quantum Well → Light-Emitting-Schicht.
- P-Typ-Gan-Schicht → Löcher bereitstellen.
Ergebnis: Die Defektdichte beträgt nur 10 ° ° C² und die Leuchtmitteleffizienz ist erheblich verbessert.
Fall 2: SIC Power MOSFET
Substrat: 4H-SIC-Einkristall (Spannung bis zu 10 kV).
Epitaxiale Schicht:
- N-Typ-SIC-Driftschicht (Dicke 10-100 μm) → Hochspannung standhalten.
- P-Typ-Basisregion → Steuerkanalbildung.
Vorteile: 90% niedrigere On-Resistenz als Siliziumgeräte, 5-mal schneller Schaltgeschwindigkeit.
Fall 3: Gan RF-Geräte auf Siliziumbasis
Substrat: Hochfeindliches Silizium (kostengünstige, leicht zu integrierende).
Epitaxiale Schicht:
- ALN -Keimbildungsschicht → lindert die Gitterfehlanpassung zwischen Si und Gan (16%).
- GaN -Pufferschicht → Erfasst Defekte und verhindert, dass sie sich bis zur aktiven Schicht erstrecken.
- Algan\/Gan Heteroübergang → bildet einen HEMT -Kanal mit hoher Elektronenmobilität.
Anwendung: 5G Basisstation Stromverstärker mit einer Häufigkeit von mehr als 28 GHz.
