1. Substrat
1. Definició i funció
· Suport físic: el substrat és el portador del dispositiu semiconductor, normalment una hòstia de cristall circular o quadrada (com una hòstia de silici).
· Plantilla de cristall: proporciona una plantilla per a la disposició atòmica per al creixement de la capa epitaxial per assegurar -se que la capa epitaxial és coherent amb l'estructura de cristall del substrat (homoepitaxial) o coincideix (heteroepitaxial).
· Bases elèctriques: part del substrat participa directament en la conducció del dispositiu (com ara dispositius de potència basats en silici), o actua com a aïllant per aïllar el circuit (com ara un substrat de safir).
2. Comparació de materials de substrat principal
|
Materials |
Funcions |
Aplicacions típiques |
|
Silici (SI) |
Tecnologia de baix cost, madura, conductivitat tèrmica mitjana |
Circuits integrats, MOSFET, IGBT |
|
Sapphire (al₂o₃) |
Aïllament, resistència a la temperatura, desajust de gelosia gran (fins a un 13% amb Gan) |
LEDs basats en Gan, dispositius RF |
|
Carbur de silici (sic) |
Alta conductivitat tèrmica, alta resistència al camp de desglossament, resistència a la temperatura alta |
Mòduls d’energia elèctrica de vehicles, dispositius RF de l’estació base 5G |
|
Arsenide de Gallium (GAAS) |
Excel·lents característiques d’alta freqüència, bretxa de banda directa |
Xips de RF, díodes làser, cèl·lules solars |
|
Nitrur de Gallium (Gan) |
Alta mobilitat d’electrons, resistència d’alta tensió |
Adaptador de càrrega ràpida, dispositius de comunicació d’ones mil·limètriques |
3. Consideracions bàsiques per a la selecció del substrat
· Matching de gelosia: Reduïu els defectes de la capa epitaxial (per exemple, el desajust de gelosia GaN\/Sapphire arriba al 13%, requerint una capa tampó).
· Coincidència del coeficient d’expansió tèrmica: Eviteu l’esquerdament de l’estrès causat pels canvis de temperatura.
· Compatibilitat de costos i processos: per exemple, els substrats de silici dominen el corrent principal a causa de processos madurs.
2. Capa epitaxial
1. Definició i propòsit
Creixement epitaxial: deposició de pel·lícula fina de cristall únic a la superfície del substrat mitjançant mètodes químics o físics, amb la disposició atòmica alineada estrictament amb el substrat.
Funcions bàsiques:
- Millorar la puresa del material (el substrat pot contenir impureses).
- Construeix estructures heterogènies (com els pous quàntics GaAS\/Algas).
- Aïllar defectes del substrat (com ara defectes de micropipe en substrats sic).
2. Classificació de la tecnologia epitaxial
|
Tecnologia |
Principi |
Funcions |
Materials aplicables |
|
Mocvd |
Font orgànica metàl·lica + Reacció de gas (com TMGA + NH₃ per generar Gan) |
Apte per a semiconductors compostos, producció massiva |
Gan, gaas, INP |
|
MBE |
Diposició de capa de feixos moleculars sota buit ultra-alt |
Control a nivell atòmic, ritme de creixement lent, elevat cost |
Superlats, punts quàntics |
|
Lpcvd |
Descomposició tèrmica del gas font de silici (com sih₄) a baixa pressió |
Tecnologia de l'epitaxi de silici principal, bona uniformitat |
Si, Sige |
|
Hvpe |
Epitaxi de fase de vapor d'alta temperatura |
Taxa de creixement ràpid, adequat per a pel·lícules gruixudes (com ara substrats Gan) |
Gan, zno |
3. Paràmetres clau del disseny de la capa epitaxial
- Gruix: des d’uns quants nanòmetres (pou quàntic) fins a desenes de micres (epilayer de dispositius d’energia).
- Doping: Controleu amb precisió la concentració del portador mitjançant impureses de dopatge com el fòsfor (tipus N) i el bor (tipus P).
- Qualitat de la interfície: el desajust de gelosia ha de ser alleujat per la capa tampó (com ara GaN\/ALN) o SuperLattice estret.
4. Reptes i solucions del creixement heteroepitaxial
- Disturde de gelosia:
- Capa tampó de gradient: Canvieu gradualment la composició de substrat a capa epitaxial (com la capa de gradient Algan).
- Capa de nucleació a baixa temperatura: cultiva capes primes a baixa temperatura per reduir l’estrès (com ara la capa de nucleació ALN de baixa temperatura de GAN).
- Disturd tèrmic: seleccioneu una combinació de materials amb coeficients d’expansió tèrmica similars o utilitzeu un disseny d’interfície flexible.
3. Cas d’aplicació sinèrgica de substrat i epitaxia
Cas 1: LED basat en Gan
Substrat: Sapphire (baix cost, aïllament).
Estructura epitaxial:
- Capa tampó (ALN o GaN de baixa temperatura) → Reduir els defectes de desajust de gelosia.
- Capa Gan de tipus N → Proporcionar electrons.
- Pou multi-quàn és InGAN\/Gan → Capa emissora de llum.
- Capa Gan de tipus P → Proporcionar forats.
Resultat: la densitat de defectes és tan baixa com 10 ºC, i l'eficiència lluminosa es millora significativament.
Cas 2: Sic Power Mosfet
Substrat: cristall únic 4H-sic (resisteix la tensió de fins a 10 kV).
Capa epitaxial:
- N-Type Sic Drift Capa (gruix 10-100 μm) → resistir a alta tensió.
- Regió base de tipus P → Control Formació del canal.
Avantatges: un 90% inferior a la resistència que els dispositius de silici, 5 vegades més ràpida velocitat de commutació.
Cas 3: dispositius Gan RF basats en silici
Substrat: silici d’alta resistència (baix cost, fàcil d’integrar).
Capa epitaxial:
- Capa de nucleació ALN → alleuja el desajust de gelosia entre SI i GaN (16%).
- Capa tampó GaN → capta defectes i els impedeix que s’estenguin a la capa activa.
- Heterojunció Algan\/Gan → Forma un canal de mobilitat d’electrons d’alta manera (HEMT).
Aplicació: amplificador de potència de l'estació base 5G, amb una freqüència de més de 28 GHz.