Substrat adalah asas fizikal peranti dan menentukan kemungkinan dan kos pertumbuhan epitaxial .
Lapisan epitaxial adalah teras berfungsi, dan prestasi elektrik dan optik dioptimumkan melalui reka bentuk struktur dan doping tepat .
Pencocokan kedua-dua (kekisi, haba, elektrik) adalah kunci kepada peranti berprestasi tinggi, memandu teknologi semikonduktor ke kekerapan yang lebih tinggi, kuasa yang lebih tinggi, dan penggunaan kuasa yang lebih rendah .
1. substrat
Definisi dan fungsi
Sokongan Fizikal: Substrat adalah pembawa peranti semikonduktor, biasanya lembaran nipis kristal tunggal atau persegi (seperti wafer silikon) .
Templat Kristal: Menyediakan templat untuk susunan atom untuk pertumbuhan lapisan epitaxial untuk memastikan lapisan epitaxial selaras dengan struktur kristal substrat (epitaxy homogen) atau perlawanan (epitaxy heterogen) .
Asas Elektrik: Sesetengah substrat secara langsung mengambil bahagian dalam pengaliran peranti (seperti peranti kuasa berasaskan silikon) atau berfungsi sebagai penebat untuk mengasingkan litar (seperti substrat nilam) .
2. Perbandingan bahan substrat arus perdana
| Bahan | Sifat | Aplikasi biasa |
| silikon (SI) | Kos rendah, teknologi matang, kekonduksian terma sederhana | Litar Bersepadu, MOSFET, IGBT |
| Sapphire (Al₂o₃) | penebat, rintangan suhu tinggi, ketidakcocokan kekisi yang besar (sehingga 13% dengan GAN) | LED dan peranti RF yang berpangkalan di GAN |
| Karbida silikon (sic) | Kekonduksian terma yang tinggi, kekuatan medan pecahan yang tinggi, rintangan suhu tinggi | Modul Kuasa Kenderaan Elektrik, Peranti RF Stesen Pangkalan 5G |
| Gallium Arsenide (GaAs) | Ciri -ciri frekuensi tinggi yang sangat baik, bandgap langsung | Cip RF, diod laser, sel solar |
| Gallium Nitride (GAN) | Pergerakan elektron tinggi, rintangan voltan tinggi | Penyesuai pengecasan cepat, peranti komunikasi gelombang milimeter |
3. Pertimbangan teras untuk pemilihan substrat
Pencocokan kekisi: Kurangkan kecacatan lapisan epitaxial (seperti ketidakpadanan kisi GaN/Sapphire sebanyak 13%, yang memerlukan lapisan penampan) .
Memadankan pekali pengembangan terma: Elakkan keretakan tekanan yang disebabkan oleh perubahan suhu .
Keserasian Kos dan Proses: Sebagai contoh, substrat silikon menguasai arus perdana kerana proses matang .
2. lapisan epitaxial
1. definisi dan tujuan
Pertumbuhan epitaxial: Deposit filem nipis kristal tunggal pada permukaan substrat dengan kaedah kimia atau fizikal, dan susunan atom adalah sejajar dengan substrat .
Peranan teras:
Meningkatkan kesucian bahan (substrat mungkin mengandungi kekotoran) .
Membina struktur heterogen (seperti GaAs/Algaas Quantum Wells) .
Mengasingkan kecacatan substrat (seperti kecacatan mikropip dalam substrat SIC) .
2. Klasifikasi teknologi epitaxial
3. Parameter utama reka bentuk lapisan epitaxial
Ketebalan: Dari beberapa nanometer (telaga kuantum) hingga puluhan mikron (lapisan epitaxial peranti kuasa) .
Doping: Kawalan kepekatan pembawa dengan tepat dengan kekotoran doping seperti fosforus (n-jenis) dan boron (p-jenis) .
Kualiti Antara Muka: Kesalahan kekisi perlu dikurangkan oleh lapisan penampan (seperti GaN/Aln) atau superlattices tegang .
4. Cabaran dan penyelesaian Heteroepitaxial Growth Lattice Mismatch:
Lapisan penampan secara beransur -ansur: Secara beransur -ansur menukar komposisi dari substrat ke lapisan epitaxial (seperti lapisan kecerunan Algan) .
Lapisan nukleasi suhu rendah: tumbuh lapisan nipis pada suhu rendah untuk mengurangkan tekanan (seperti lapisan nukleasi aln suhu rendah GaN) .
Mismatch Thermal: Pilih gabungan bahan dengan pekali pengembangan terma yang sama, atau gunakan reka bentuk antara muka yang fleksibel .
3. Kes -kes aplikasi kerjasama substrat dan epitaxy
Kes 1: Substrat LED berasaskan GAN: Sapphire (Kos Rendah, Penebat) .
Struktur Epitaxial:
Lapisan penampan (ALN atau GAN suhu rendah) → Kurangkan kecacatan ketidakpatuhan kekisi .
N-Type GaN Layer → Menyediakan Elektron .
Ingan/gan sumur kuantum berganda → lapisan pemancar cahaya .
Lapisan Gan P-Type → Menyediakan lubang .
Keputusan: Ketumpatan kecacatan serendah 10 ⁸ cm ², dan kecekapan bercahaya meningkat dengan ketara .
Kes 2: SIC Power MOSFET
Substrat: kristal tunggal 4H-SIC (menahan voltan sehingga 10 kV) .
Lapisan epitaxial:
N-jenis lapisan drift sic (ketebalan 10-100 μm) → menahan voltan tinggi .
Rantau asas p-jenis → pembentukan saluran kawalan .
Kelebihan: 90% lebih rendah rintangan daripada peranti silikon, 5 kali kelajuan beralih lebih cepat .
Kes 3: Substrat peranti GAN RF berasaskan silikon: silikon rintangan tinggi (kos rendah, integrasi mudah) .
Epilayer: Lapisan Nukleasi ALN → Mengurangkan ketidakcocokan kekisi antara Si dan Gan (16%) .
Lapisan Buffer GAN → Menangkap Kecacatan dan menghalang mereka daripada melanjutkan ke lapisan aktif .
Algan/gan heterojunction → membentuk saluran mobiliti elektron yang tinggi (hemt) .
Permohonan: Penguat kuasa stesen asas 5G, kekerapan boleh mencapai lebih daripada 28 GHz .
