Substratet er det fysiske grunnlaget for enheten og bestemmer muligheten og kostnadene for epitaksial vekst .
Det epitaksiale laget er den funksjonelle kjernen, og den elektriske og optiske ytelsen er optimalisert gjennom strukturell design og presis doping .
Matchingen av de to (gitter, varme, elektrisitet) er nøkkelen til enheter med høy ytelse, driver halvlederteknologi til høyere frekvens, høyere effekt og lavere strømforbruk .
1. underlag
Definisjon og funksjon
Fysisk støtte: Substratet er bæreren av halvlederinnretningen, vanligvis en rund eller firkantet enkelt krystalltynt ark (for eksempel silisiumskiven) .
Krystallmal: Tilbyr en mal for atomarrangement for vekst av epitaksial lag for å sikre at det epitaksiale laget er i samsvar med substratkrystallstrukturen (homogen epitaxy) eller matcher (heterogen epitaxy) .
Elektrisk grunnlag: Noen underlag deltar direkte i enhetsledning (for eksempel silisiumbaserte strømenheter) eller fungerer som isolatorer for å isolere kretsløp (for eksempel safirunderlag) .
2. Sammenligning av mainstream substratmaterialer
| Materiale | Egenskaper | Typiske applikasjoner |
| silisium (SI) | Lave kostnader, moden teknologi, middels termisk ledningsevne | Integrert krets, MOSFET, IGBT |
| Sapphire (Al₂o₃) | isolasjon, høye temperaturmotstand, stor gittermatch (opptil 13% med GaN) | GaN-baserte lysdioder og RF-enheter |
| Silisiumkarbid (sic) | Høy termisk konduktivitet, høy nedbrytningsfeltstyrke, høy temperaturmotstand | Elektriske kjøretøysmoduler, 5g basestasjon RF -enheter |
| Gallium Arsenide (Gaas) | Utmerkede høyfrekvente egenskaper, direkte bandgap | RF -brikker, laserdioder, solceller |
| Gallium Nitride (GaN) | Høy elektronmobilitet, høyspenningsmotstand | Rask adapter, millimeter bølgekommunikasjonsenhet |
3. kjernehensyn for valg av substrat
Gittermatching: Reduser epitaksiale lagdefekter (for eksempel GaN/Sapphire Gattice -misforhold på 13%, som krever et buffersjikt) .
Matchende termisk ekspansjonskoeffisient: Unngå stresssprekker forårsaket av temperaturendringer .
Kostnads- og prosesskompatibilitet: For eksempel dominerer silisiumsubstrater mainstream på grunn av modne prosesser .
2. epitaxial lag
1. definisjon og formål
Epitaksial vekst: avsetter enkeltkrystalltynne filmer på underlagsoverflaten ved kjemiske eller fysiske metoder, og atomarrangementet er strengt justert med underlaget .
Kjernerolle:
Forbedre materiell renhet (underlaget kan inneholde urenheter) .
Konstruer heterogene strukturer (for eksempel GAAS/AlgaaS Quantum Wells) .
Isolere substratdefekter (for eksempel mikropipdefekter i SIC -underlag) .
2. klassifisering av epitaksial teknologi
3. nøkkelparametere for epitaksial lagdesign
Tykkelse: Fra noen få nanometer (kvantebrønner) til titalls mikron (Power Device Epitaxial Layer) .
Doping: Kontroller bærerkonsentrasjonen nettopp ved doping urenheter som fosfor (n-type) og bor (p-type) .
Grensesnittkvalitet: gittermispost må lindres av bufferlag (for eksempel GaN/ALN) eller anstrengte superlattices .
4. Utfordringer og løsninger av heteroepitaxial vekstgittermismatch:
Gradvis buffersjikt: Endre sammensetningen gradvis fra substrat til epitaksialt lag (for eksempel Algan Gradient Layer) .
Lavtemperatur nukleation lag: dyrk tynne lag ved lav temperatur for å redusere stress (for eksempel lavtemperatur aln nukleation lag med GaN) .
Termisk misforhold: Velg en kombinasjon av materialer med lignende termiske ekspansjonskoeffisienter, eller bruk en fleksibel grensesnittdesign .
3. Samarbeidsapplikasjonssaker av underlag og epitaxy
Tilfelle 1: GaN-basert LED-underlag: Sapphire (lave kostnader, isolasjon) .
Epitaksial struktur:
Bufferlag (ALN eller lavtemperatur GaN) → Reduser gittermismatchdefekter .
N-Type GaN-lag → Gi elektroner .
Ingan/GaN flere kvantebrønner → Lysemitterende lag .
P-Type GaN-lag → Gi hull .
Resultat: Defekttetthet er så lav som 10⁸ cm⁻², og lysende effektivitet er betydelig forbedret .
Sak 2: Sic Power Mosfet
Substrat: 4H-SiC enkeltkrystall (Totstand Spenning opp til 10 kV) .
Epitaksialt lag:
N-type SiC-drivlag (tykkelse 10-100 μm) → Totstand høyspenning .
P-Type SiC Base Region → Kontrollkanalformasjon .
Fordeler: 90% lavere motstand enn silisiumenheter, 5 ganger raskere byttehastighet .
Sak 3: Silisiumbasert GaN RF-enhetssubstrat: Silisium med høy motstand (lav kostnad, enkel integrasjon) .
Epilayer: ALN Nucleation Layer → Lindrer gitter -misforholdet mellom Si og GaN (16%) .
GaN -bufferlag → Fangfekter og forhindrer dem i å strekke seg til det aktive laget .
Algan/GaN Heterojunction → Dann en høy elektronmobilitetskanal (HEMT) .
Bruksområde: 5G BASE STATION kraftforsterker, frekvens kan nå mer enn 28 GHz .