1. Podloga
1. Definicija i funkcija
· Fizička podrška: Supstrat je nosač poluvodičkih uređaja, obično kružnog ili kvadratnog jednostruka kristalnog rezanja (kao što je silikonski remen).
· Kristalni predložak: Pruža predložak za atomski raspored za rast epitaksalnog sloja kako bi se osiguralo da je epitaksijalni sloj u skladu sa kristalnom strukturom podloge (homoepitaxial) ili utakmicama (heteroepitaxial) ili utakmice (heteroepitaxial).
· Električna osnova: Dio supstrata direktno sudjeluje u provođenju uređaja (poput silikonskih uređaja) ili djeluje kao izolator za izoliranje kruga (kao što je supstrat safira).
2. Poređenje matičnih materijala podloge
|
Materijali |
Karakteristike |
Tipične aplikacije |
|
Silicijum (si) |
Niska cijena, zrela tehnologija, srednja toplotna provodljivost |
Integrirani krugovi, MOSFET, IGBT |
|
Sapphire (al₂o₃) |
Izolacija, otpornost na visoke temperature, veliku neusklađenost rešetke (do 13% sa GAN) |
LED zasnovane na GAN-u, RF uređaji |
|
Silicijum karbid (sic) |
Visoka toplotna provodljivost, visoka čvrstoća polja, otpornost na visoke temperature |
Električni moduli električnog vozila, 5G bazne stanice RF uređaji |
|
Gallium Arsenide (Gaas) |
Odlične karakteristike visoke frekvencije, izravni jaz između pojasa |
RF čips, laserske diode, solarne ćelije |
|
Gallium nitrid (gan) |
Visoka elektronska pokretljivost, otpornost na visoko napon |
Brzi adapter za punjenje, komunikacijski uređaji za milimetarske valove |
3. Osnovna razmatranja za izbor supstrata
· Račun rešetke: Smanjite defekte epitakse sloja (npr. GAN \/ Sapphhire rešetka neusklađenost dostiže 13%, što zahtijeva sloj pufera).
· Termički koeficijent proširenja: Izbjegavajte pucanje stresa uzrokovano temperaturnim promjenama.
· Kompatibilnost troškova i procesa: Na primjer, silikonske podloge dominiraju u glavnom toku zbog zrelih procesa.
2. Epiticalni sloj
1. Definicija i svrha
Epitacionalni rast: taloženje pojedinačnog kristalnog tankog filma na površini supstrata po kemijskim ili fizičkim metodama, a atomski aranžman strogo usklađen sa supstratom.
Funkcije jezgre:
- Poboljšati materijalnu čistoću (supstrat može sadržavati nečistoće).
- Izgradite heterogene strukture (poput GAAS \/ Algaas Quantum Wells).
- Oštećenja supstrata izolacije (kao što su oštećenja mikropipe na SIC supstratima).
2 Klasifikacija epitaksijske tehnologije
|
Tehnologija |
Princip |
Karakteristike |
Primjenjivi materijali |
|
Mocvd |
Metalni organski izvor + reakcija gasa (poput TMGA + NH₃ za generiranje GAN-a) |
Pogodno za složene poluvodiče, masovnu proizvodnju |
Gan, Gaas, INP |
|
MBE |
Izlaganje sloja molekularnog snopa po sloj pod ultra visokim vakuumom |
Kontrola atomskog nivoa, spora stopa rasta, visoki troškovi |
Superlattice, kvantne točkice |
|
Lpcvd |
Termička raspadanja silikonskog izvornog plina (kao što su Sih₄) pod niskim pritiskom |
Mainstream Silicon epitaxy tehnologija, dobra uniformnost |
Si, Sige |
|
Hvpe |
Hilik temperaturne halide pare faza epitaxy |
Brza stopa rasta, pogodna za debele filmove (kao što su gajske podloge) |
Gan, Zno |
3. Ključni parametri dizajna epitaksijskog sloja
- Debljina: od nekoliko nanometara (kvantna dobro) na desetine mikrona (epilajer elektroenergetskih uređaja).
- Doping: Precizno kontrolira koncentraciju nosača doping nečistoćom kao što su fosfor (n-tipa) i boron (P-tip).
- Kvaliteta sučelja: neusklađenost rešetke treba ublažiti sloj pufera (poput GAN \/ ALN) ili napetih superlattice.
4. Izazovi i rješenja heteroepitaksijalnog rasta
- Neusklađenost rešetke:
- Gradientski sloj pufera: postepeno mijenjajte sastav sa podloge u epitaksijalni sloj (kao što je algani gradijentni sloj).
- Sloj nukleacije sa niskim temperaturom: Povećajte tanke slojeve na niskoj temperaturi za smanjenje stresa (kao što su niskotemperaturni aln nukleacijski sloj GAN).
- Termička neusklađenost: Odaberite kombinaciju materijala sa sličnim koeficijentima termičkog proširenja ili koristite fleksibilan dizajn sučelja.
3. Sinergijski primjenjivanje slučajeva supstrata i epitaksija
Slučaj 1: LED baziran na ganu
Podloga: Sapphire (niska cijena, izolacija).
Epitacionalna struktura:
- Sloj pufera (aln ili niskotemperaturni GAN) → Smanjite nedostatke rešetke.
- N-Type GAN sloj → Navedite elektrone.
- Ingan \/ gan multi-kvantni bunar → lagani sloj.
- P-Type GAN sloj → Navedite rupe.
Rezultat: Gustina oštećenja je manja kao i 10⁸ cm⁻², a svjetlosna efikasnost značajno se poboljšava.
Slučaj 2: Sic Power MOSFET
Podloga: 4h-sic pojedinačni kristal (izdržati napon do 10 kV).
Epiticalni sloj:
- N-Type Sic Slow (debljina 10-100 μm) → izdržati visoko napon.
- P-Type SIC osnovna regija → Kontrolno stvaranje kanala.
Prednosti: 90% niži od otpora od silicijuma, 5 puta brže brzine prebacivanja.
Slučaj 3: GAN RF uređaji sa silikonskim
Supstrat: silicijun visoke otpornosti (niski troškovi, lako se integrirati).
Epiticalni sloj:
- Aln nukleacijski sloj → ublažava neusklađenost rešetke između SI i GAN (16%).
- GAN puferski sloj → snima nedostatke i sprečava ih da se protežu do aktivnog sloja.
- Algan \/ Gan HeteroJunction → formira visoki kanal mobilnosti elektrona (HEMT).
Primjena: 5G bazne stanice Pogreška pojačala, sa frekvencijom više od 28 GHz.
