El substrat és la base física del dispositiu i determina la viabilitat i el cost del creixement epitaxial.
La capa epitaxial és el nucli funcional i el rendiment elèctric i òptic s’optimitza mitjançant el disseny estructural i el dopatge precís.
La concordança dels dos (gelosia, calor, electricitat) és la clau per a dispositius d’alt rendiment, impulsant la tecnologia de semiconductors a una freqüència més alta, potència més elevada i menor consum d’energia.
1. Substrat
Definició i funció
Suport físic: el substrat és el portador del dispositiu semiconductor, normalment una xapa fina de cristall rodó o quadrat (com la 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 (epitaxi homogènia) o coincideix amb els coincidències (epitaxi heterogènia).
Bases elèctriques: alguns substrats participen directament en la conducció del dispositiu (com ara dispositius de potència basats en silici) o serveixen d’aïlladors per aïllar circuits (com els substrats de safir).
2. Comparació de materials de substrat principal
| Material | Propietats | Aplicacions típiques |
| silici (SI) | Tecnologia de baix cost, madura, conductivitat tèrmica mitjana | Circuit integrat, MOSFET, IGBT |
| Sapphire (al₂o₃) | aïllament, resistència a la temperatura, desajust de gelosia gran (fins a un 13% amb Gan) | LEDs basats en Gan i 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, Bandgap directe | Xips de RF, díodes làser, cèl·lules solars |
| Nitrur de Gallium (Gan) | Alta mobilitat d’electrons, resistència d’alta tensió | Adaptador de càrrega ràpida, dispositiu 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 (com el desajust de gelosia GaN\/Sapphire del 13%, requerint una capa tampó).
Coeficient d’expansió tèrmica a la coincidència: 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: dipositeu pel·lícules primes de cristall a la superfície del substrat mitjançant mètodes químics o físics, i la disposició atòmica està estrictament alineada amb el substrat.
Paper bàsic:
Millorar la puresa del material (el substrat pot contenir impureses).
Construeix estructures heterogènies (com ara pous quàntics GaAS\/Algas).
Aïllar defectes del substrat (com ara defectes de micropipe en substrats sic).
2. Classificació de la tecnologia epitaxial
3. Paràmetres clau del disseny de la capa epitaxial
Gruix: des d’uns quants nanòmetres (pous quàntics) fins a desenes de micres (capa de dispositiu d’energia epitaxial).
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 les capes tampons (com ara Gan\/ALN) o superlattes estrets.
4. Reptes i solucions de la gelosia del creixement heteroepitaxial:
Capa de buffer gradual: 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 col·laborativa de substrat i epitaxia
Cas 1: Substrat LED basat en Gan: 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.
Capa de la llum de la llum de la llum de la llum de la llum de la 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: Substrat del dispositiu RF basat en silici: silici de gran resistència (baix cost, integració fàcil).
Epilayer: capa de nucleació ALN → alleujar el desajust de gelosia entre SI i GaN (16%).
Capa tampó GaN → Defectes de captura i impedeixen que s’estenguin a la capa activa.
Heterojunció Algan\/Gan → Formeu un canal de mobilitat d’electrons d’alta manera (HEMT).
Aplicació: amplificador de potència de l'estació base 5G, la freqüència pot arribar a més de 28 GHz.
