Подложка является физической основой устройства и определяет осуществимость и стоимость эпитаксиального роста .
Эпитаксиальный слой является функциональным ядром, а электрическая и оптическая производительность оптимизируется посредством структурной конструкции и точного легирования .
Сопоставление двух (решетчатая, тепло, электричество) является ключом к высокопроизводительным устройствам, приводящимся в полупроводниковую технологию с более высокой частотой, более высокой мощностью и более низким энергопотреблением .
1. субстрат
Определение и функция
Физическая поддержка: подложка является носителем полупроводникового устройства, обычно круглого или квадратного тонкого листа монокристаллического тонкого листа (например, кремниевая пластина) .
Шаблон кристаллов: обеспечивает шаблон для атомного расположения для роста эпитаксиального слоя, чтобы гарантировать, что эпитаксиальный слой согласуется с структурой кристаллической структуры субстрата (гомогенная эпитаксия) или совпадения (гетерогенная эпитаксия) .
Электрическая основа: некоторые субстраты непосредственно участвуют в проводимости устройства (например, кремниевые мощные устройства) или служат изоляторами для изоляции цепей (таких как сапфирские субстраты) .
2. Сравнение основных материалов субстрата
| Материал | Характеристики | Типичные приложения |
| кремний (Si) | Низкая стоимость, зрелая технология, средняя теплопроводность | Интегрированная схема, MOSFET, IGBT |
| сапфир (al₂o₃) | Изоляция, высокая температурная устойчивость, крупное несоответствие решетки (до 13% с GAN) | Светодиоды и радиочастотные устройства на базе GaN |
| Карбид кремния (sic) | Высокая теплопроводность, высокая прочность поля разрушения, высокая температурная стойкость | Модули питания электромобилей, RF -устройства 5G базовой станции |
| Арсенид галлия (Гаас) | Отличные высокочастотные характеристики, прямая полоса | РФ чипы, лазерные диоды, солнечные элементы |
| Нитрид галлия (ган) | Высокая мобильность электронов, сопротивление высокого напряжения | Адаптер быстрой зарядки, устройство связи миллиметровой волны |
3. Core соображения для выбора субстрата
Сопоставление решетки: уменьшить дефекты эпитаксиального слоя (например, несоответствие решетки Gan/Sapphire 13%, требуя буферного слоя) .
Соответствующий коэффициент термического расширения: избегайте растрескивания напряжения, вызванного изменением температуры .
Совместимость затрат и процесса: например, кремниевые субстраты доминируют в основном потоке из -за зрелых процессов .
2. эпитаксиальный слой
1. определение и цель
Эпитаксиальный рост: откладывает монокристаллические тонкие пленки на поверхности субстрата химическими или физическими методами, а атомное расположение строго выровнено с субстратом .
Основная роль:
Улучшение чистоты материала (субстрат может содержать примеси) .
Конструкция гетерогенных структур (например, Quantum Wells Gaas/Algaas) .
Изолировать дефекты субстрата (например, дефекты микропийки в субстратах SIC) .
2. Классификация эпитаксиальной технологии
3. Параметры ключа эпитаксиального дизайна слоя
Толщина: от нескольких нанометров (квантовые скважины) до десятков микрон (эпитаксиальный слой питания) .
Допинг: точно контролировать концентрацию носителя с помощью примесей допинга, таких как фосфор (N-тип) и Boron (P-Type) .
Качество интерфейса: несоответствие решетки должно быть облегчено буферными слоями (такими как GAN/ALN) или напряженные суперлатиции .
4. Проблемы и решения гетероэпитаксиального роста несоответствие решетки:
Постепенный слой буфера: постепенно изменять композицию от субстрата на эпитаксиальный слой (например, уровень градиента алгана) .
Низкотемпературный слой нуклеации: выращивать тонкие слои при низкой температуре, чтобы уменьшить напряжение (например, низкотемпературный слой нуклеации Aln GAN) .
Тепловое несоответствие: выберите комбинацию материалов с аналогичными коэффициентами термического расширения или используйте гибкую конструкцию интерфейса .
3. Совместные случаи применения субстрата и эпитаксии
Случай 1: Светодиодный субстрат на основе GAN: Sapphire (низкая стоимость, изоляция) .
Эпитаксиальная структура:
Буферный слой (ALN или низкотемпературная GAN) → уменьшить дефекты несоответствия решетки .
N-тип слой GAN → Предоставьте электроны .
Ingan/Gan Множественные квантовые скважины → светодиодные слой .
P-Type GAN Layer → Предоставьте отверстия .
Результат: плотность дефектов составляет всего 10⁸ CM⁻², а светящаяся эффективность значительно улучшается .
Случай 2: SIC Power Mosfet
Substrate: 4H-SIC монокристалл (противостояние напряжения до 10 кВ) .
Эпитаксиальный слой:
Drift Lift SIC-слой N-типа (толщина 10-100 мкм) → выдерживая высокое напряжение .
Базовая область P-типа SIC → Формирование канала управления .
Преимущества: на 90% ниже на резистентности, чем кремниевые устройства, в 5 раз быстрее скорость переключения .
Случай 3: Субстрат GAN RF на основе кремния: кремний с высокой устойчивостью (низкая стоимость, легкая интеграция) .
Epilayer: Aln Nucleation Layer → облегчает несоответствие решетки между Si и Gan (16%) .
Ган буферный слой → дефекты захвата и предотвратить их продление до активного слоя .
Algan/Gan Heterojunction → сформировать высокий канал подвижности электронов (hemt) .
Приложение: 5G базовая станция усилитель мощности, частота может достигать более 28 ГГц .
