Das Substrat ist die physikalische Grundlage des Geräts und bestimmt die Durchführbarkeit und Kosten des epitaxialen Wachstums .
Die epitaxiale Schicht ist der funktionale Kern, und die elektrische und optische Leistung wird durch strukturelles Design und präzises Doping . optimiert
Die Anpassung der beiden (Gitter, Wärme, Elektrizität) ist der Schlüssel zu Hochleistungsgeräten und treibt die Halbleitertechnologie auf höhere Frequenz, höhere Leistung und niedrigere Stromverbrauch ..
1. Substrat
Definition und Funktion
Physikalische Unterstützung: Das Substrat ist der Träger des Halbleitergeräts, normalerweise ein rundes oder quadratisches, einkristalles Dünnblech (z. B. Siliziumwafer) .
Kristallvorlage: Bietet eine Vorlage für die Atomanordnung für das Wachstum der epitaxialen Schicht, um sicherzustellen
Elektrische Basis: Einige Substrate beteiligen sich direkt an der Geräteleitung (z.
2. Vergleich von Mainstream -Substratmaterialien
| Material | Eigenschaften | Typische Anwendungen |
| Silizium (Si) | Niedrige Kosten, reife Technologie, mittlere thermische Leitfähigkeit | Integrierter Schaltkreis, MOSFET, IGBT |
| Saphir (Al₂o₃) | Isolierung, Hochtemperaturwiderstand, große Gitterfehlanpassung (bis zu 13% mit GaN) | LEDs mit Sitz in GAN und RF-Geräte |
| Siliziumkarbid (sic) | Hohe thermische Leitfähigkeit, hohe Abbaufeldstärke, hohe Temperaturbeständigkeit | Elektrofahrzeug -Leistungsmodule, 5G Basisstation RF -Geräte |
| Gallium Arsenid (Gaas) | Ausgezeichnete Hochfrequenzeigenschaften, direkte Bandgap | HF -Chips, Laserdioden, Solarzellen |
| Galliumnitrid (Gan) | Hohe Elektronenmobilität, Hochspannungswiderstand | Schneller Ladeadapter, Millimeter -Wellenkommunikationsgerät |
3. Kernüberlegungen für die Substratauswahl
Gitteranpassung: Reduzieren Sie epitaxiale Schichtdefekte (wie Gan/Saphir -Gitterfehlanpassung von 13%, die eine Pufferschicht erfordert) .
Übereinstimmender thermischer Expansionskoeffizient: Vermeiden Sie Spannungsrisse durch Temperaturänderungen .
Kosten- und Prozesskompatibilität: Zum Beispiel dominieren Siliziumsubstrate den Mainstream aufgrund ausgereifter Prozesse .
2. epitaxiale Schicht
1. Definition und Zweck
Epitaxialwachstum: Depony Einkristall -Dünnfilme auf der Substratoberfläche durch chemische oder physikalische Methoden ablegen, und die Atomanordnung ist streng mit dem Substrat . ausgerichtet
Kernrolle:
Verbesserung der materiellen Reinheit (das Substrat kann Verunreinigungen enthalten) .
Konstrukte heterogene Strukturen (wie GaAs/Algaas Quantum Wells) .
Isolieren Sie Substratdefekte (wie Mikropipe -Defekte in SIC -Substraten) .
2. Klassifizierung der epitaxialen Technologie
3. Schlüsselparameter des epitaxialen Schicht Designs
Dicke: Von einigen Nanometern (Quantenbrunnen) bis zu zehn Mikrometern (epitaxiale Schicht) .}
Doping: Kontrollieren Sie die Trägerkonzentration genau durch Dotierung von Verunreinigungen wie Phosphor (N-Typ) und Bor (p-Typ) .
Schnittstellenqualität: Gitterfehlanpassung muss durch Pufferschichten (wie GaN/ALN) oder angespannte Superlattices . gelindert werden
4. Herausforderungen und Lösungen von heteroepitaxialen Wachstumslatt -Fehlanpassungen:
Gradualer Pufferschicht: Ändern Sie die Zusammensetzung nach und nach von Substrat auf Epitaxialschicht (z. B. Algan -Gradientenschicht) .
Niedrigtemperatur-Keimbildungsschicht: 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. kollaborative Anwendungsfälle von Substrat und Epitaxie
Fall 1: GaN-basiertes LED-Substrat: Sapphire (niedrige Kosten, Isolierung) .
Epitaxiale Struktur:
Pufferschicht (Aln- oder Tieftemperatur-Gan) → Verringerung von Gitterfehlpaarungsfehlern .
N-Typ-Gan-Schicht → Elektronen . Geben
Ingan/Gan Multiple Quantum Wells → Light-Emitting-Schicht .
P-Typ GaN-Schicht → Löcher . Geben
Ergebnis: Die Defektdichte ist nur 10 ° C cm⁻², und die Leuchtmitteleffizienz wird signifikant verbessert. .
Fall 2: SIC Power MOSFET
Substrat: 4H-SIC-Einzelkristall (Spannung bis zu 10 kV) .
Epitaxiale Schicht:
N-Typ-SIC-Driftschicht (Dicke 10-100 μm) → Higschspannung . standhalten
P-Typ SIC-Basisregion → Steuerkanalbildung .
Vorteile: 90% niedrigere Einwände als Siliziumgeräte, 5-mal schneller Schaltgeschwindigkeit .
Fall 3: Siliziumbasierter GaN-RF-Geräte-Substrat: Hochbeständiges Silizium (niedrige Kosten, einfache Integration) .
Epilayer: Aln -Keimbildungsschicht → Linderung der Gitterfehlanpassung zwischen Si und Gan (16%) .}
GaN -Pufferschicht → Defekte erfassen und verhindern, dass sie sich auf die aktive Schicht . erstrecken
Algan/Gan Heterojunction → Bilden Sie einen Mobilitätskanal mit hoher Elektronen (HEMT) .
Anwendung: 5G Basisstation Stromverstärker, Frequenz kann mehr als 28 GHz . erreichen
