Het substraat is de fysieke basis van het apparaat en bepaalt de haalbaarheid en kosten van epitaxiale groei .
De epitaxiale laag is de functionele kern en de elektrische en optische prestaties worden geoptimaliseerd door structureel ontwerp en precieze doping .
De matching van de twee (rooster, warmte, elektriciteit) is de sleutel tot high-performance apparaten, die halfgeleidertechnologie naar hogere frequentie, hoger vermogen en lager stroomverbruik drijven .
1. substraat
Definitie en functie
Fysieke ondersteuning: het substraat is de drager van het halfgeleiderapparaat, meestal een ronde of vierkante single crystal dun vel (zoals siliciumwafer) .
Kristallen sjabloon: biedt een sjabloon voor atomaire opstelling voor groei van epitaxiale laag om ervoor te zorgen dat de epitaxiale laag consistent is met de substraatkristalstructuur (homogene epitaxie) of overeenkomsten (heterogene epitaxy) .
Elektrische basis: sommige substraten nemen rechtstreeks deel aan apparaatgeleiding (zoals op siliconen gebaseerde krachtapparatuur) of dienen als isolatoren om circuits (zoals saffier substraten) . te isoleren
2. Vergelijking van mainstream substraatmaterialen
| Materiaal | Eigenschappen | Typische toepassingen |
| Silicium (SI) | Lage kosten, volwassen technologie, middelgrote thermische geleidbaarheid | Integrated Circuit, MOSFET, IGBT |
| Sapphire (Al₂o₃) | Isolatie, hoge temperatuurweerstand, grote rooster mismatch (tot 13% met GAN) | GAN-gebaseerde LED's en RF-apparaten |
| Siliconencarbide (sic) | Hoge thermische geleidbaarheid, hoge afbraakveldsterkte, hoge temperatuurweerstand | Stroommodules van elektrische voertuigen, 5G BASE STATION RF -apparaten |
| Galliumarsenide (GaAs) | Uitstekende hoogfrequente kenmerken, directe bandgap | RF -chips, laserdioden, zonnecellen |
| Galliumnitride (GAN) | Hoge elektronenmobiliteit, hoge spanningsweerstand | Snel oplaadadapter, millimeter golfcommunicatieapparaat |
3. kernoverwegingen voor substraatselectie
Rooster matching: Verminder epitaxiale laagdefecten (zoals Gan/Sapphire Rooster mismatch van 13%, waarvoor een bufferlaag nodig is) .
Bijpassende thermische expansiecoëfficiënt: vermijd stressbraak veroorzaakt door temperatuurveranderingen .
Kosten- en procescompatibiliteit: Siliconen -substraten domineren bijvoorbeeld de mainstream vanwege volwassen processen .
2. epitaxiale laag
1. Definitie en doel
Epitaxiale groei: deposit enkele kristal dunne films op het substraatoppervlak door chemische of fysische methoden, en de atomaire opstelling is strikt uitgelijnd met het substraat .
Kernrol:
Materiaalzuiverheid verbeteren (het substraat kan onzuiverheden bevatten) .
Construeer heterogene structuren (zoals GaAs/Algaas Quantum Wells) .
Isolaatsubstraatdefecten (zoals micropipe -defecten in SiC -substraten) .
2. classificatie van epitaxiale technologie
3. sleutelparameters van epitaxiale laagontwerp
Dikte: van enkele nanometers (kwantumputten) tot tientallen micron (Epitaxiale laag van de stroomapparaat) .
Doping: regelt precies de dragerconcentratie door dopingonzuiverheden zoals fosfor (n-type) en boor (p-type) .
Interfacekwaliteit: Rooster Mismatch moet worden verlicht door bufferlagen (zoals Gan/Aln) of gespannen superroosters .
4. Uitdagingen en oplossingen van heteroepitaxiale groeisrooster mismatch:
Geleidelijke bufferlaag: verander geleidelijk de samenstelling van substraat in epitaxiale laag (zoals Algan Gradient Layer) .
Lage-temperatuur nucleatielaag: kweek dunne lagen bij lage temperatuur om spanning te verminderen (zoals lage temperatuur Aln nucleatielaag van Gan) .
Thermische mismatch: selecteer een combinatie van materialen met vergelijkbare thermische expansiecoëfficiënten, of gebruik een flexibel interface -ontwerp .
3. samenwerkingstoepassingsgevallen van substraat en epitaxie
Case 1: GAN-gebaseerd LED-substraat: Sapphire (lage kosten, isolatie) .
Epitaxiale structuur:
Bufferlaag (ALN of lage temperatuur GAN) → Verminder het rooster mismatch-defecten .
N-type GAN-laag → Bied elektronen .
Ingan/gan Multiple Quantum Wells → Light-Emitting Layer .
P-type GAN-laag → Gaten verstrekken .
Resultaat: Defectdichtheid is zo laag als 10⁸ cm⁻², en de lichtefficiëntie is aanzienlijk verbeterd .
Case 2: Sic Power Mosfet
Substraat: 4H-SIC enkel kristal (bestand tegen spanning tot 10 kV) .
Epitaxiale laag:
N-type sic drift-laag (dikte 10-100 μm) → bestand zijn tegen hoge spanning .
P-type SIC Base Region → Control Channel Formation .
Voordelen: 90% lagere onresistentie dan siliciumapparaten, 5 keer sneller schakelsnelheid .
Case 3: Siliconen gebaseerd GAN RF-apparaatsubstraat: silicium met hoge weerstand (lage kosten, eenvoudige integratie) .
Epilayer: Aln Nucleation Layer → Verwijdert de roostermismatch tussen Si en Gan (16%) .
GAN -bufferlaag → Defecten vastleggen en voorkomen dat ze zich uitstrekken naar de actieve laag .
Algan/gan heterojunction → Vorm een hoog elektronenmobiliteitskanaal (Hemt) .
Toepassing: 5G Basisstation Power versterker, frequentie kan meer dan 28 GHz . bereiken
