Forskelle mellem halvledersubstrat og epitaksy

1. underlag

1. Definition og funktion

· Fysisk støtte: Underlaget er bæreren af ​​halvlederenheden, normalt en cirkulær eller firkantet enkelt krystalskive (såsom en siliciumskive).

· Krystalskabelon: Tilvejebringer en skabelon til atomarrangement for vækst i epitaksial lag for at sikre, at det epitaksiale lag er i overensstemmelse med substratkrystallstrukturen (homoepitaxial) eller kampe (heteroepitaxial).

· Elektrisk basis: En del af underlaget deltager direkte i ledningen af ​​enheden (såsom siliciumbaserede effektanordninger) eller fungerer som en isolator til at isolere kredsløbet (såsom et safirsubstrat).

2. Sammenligning af mainstream -substratmaterialer

3. Kerneovervejelser til valg af substrat

· Gitter matchning: Reducer epitaksiale lagfejl (f.eks. GaN\/Sapphire Gattice -misforhold når 13%, hvilket kræver et pufferlag).

· Termisk ekspansionskoefficient Matching: Undgå stresskrakning forårsaget af temperaturændringer.

· Omkostninger og proceskompatibilitet: For eksempel dominerer siliciumsubstrater mainstream på grund af modne processer.

2. Epitaksiallag

1. Definition og formål

Epitaksial vækst: Afsætning af enkelt krystaltynd film på substratoverfladen ved kemiske eller fysiske metoder, med atomarrangementet, der er strengt justeret med underlaget.

Kernefunktioner:

• Forbedre materiel renhed (underlaget kan indeholde urenheder).
• Byg heterogene strukturer (såsom GaAs\/AlgaAs Quantum Wells).
• Isolere substratdefekter (såsom mikropipefekter på SIC -underlag).

2. klassificering af epitaksial teknologi

3. nøgleparametre for epitaksialt lagdesign

• Tykkelse: Fra et par nanometre (kvantebrønd) til titusinder af mikron (epilaget af strømenheder).
• Doping: Kontroller nøjagtigt bærerkoncentrationen ved doping urenheder såsom fosfor (N-type) og bor (P-type).
• Grænsefladekvalitet: Gitter -misforhold skal afhjælpes af bufferlag (såsom GaN\/ALN) eller anstrengt superlattice.

4. Udfordringer og løsninger af heteroepitaxial vækst

• Gitter uoverensstemmelse:
• Gradientbufferlag: Skift gradvist sammensætningen fra substrat til epitaksiallag (såsom Algan Gradient Layer).
• Nukleationslag med lav temperatur: Grow tynde lag ved lav temperatur for at reducere stress (såsom lavtemperatur Aln-nucleationslag af GaN).
• Termisk uoverensstemmelse: Vælg en kombination af materialer med lignende termiske ekspansionskoefficienter, eller brug et fleksibelt interfacedesign.

3. synergistiske anvendelsessager om substrat og epitaksy

Sag 1: Gan-baseret LED

Substrat: Sapphire (lave omkostninger, isolering).

Epitaksial struktur:

• Bufferlag (ALN eller lavtemperatur GaN) → Reducer gittermisbrugsdefekter.
• N-type GaN-lag → leverer elektroner.
• INGAN\/GAN multi-kvantum brønd → lysemitterende lag.
• P-type GaN-lag → leverer huller.

Resultat: Defektdensitet er så lav som 10⁸ cm⁻², og lysende effektivitet forbedres markant.

Sag 2: Sic Power Mosfet

Substrat: 4H-SIC enkelt krystal (modstå spænding op til 10 kV).

Epitaksialt lag:

• N-type sic driftlag (tykkelse 10-100 μm) → modstå højspænding.
• P-type SIC Base Region → Kontrolkanaldannelse.

Fordele: 90% lavere på modstand end siliciumenheder, 5 gange hurtigere skifthastighed.

Sag 3: Siliciumbaserede GaN RF-enheder

Substrat: Silicium med høj modstand (lave omkostninger, let at integrere).

Epitaksialt lag:

• ALN -nukleationslag → lindrer gittermatchet mellem Si og GaN (16%).
• GAN -pufferlag → fanger defekter og forhindrer dem i at strække sig til det aktive lag.
• Algan\/GaN Heterojunction → danner en høj elektronmobilitetskanal (HEMT).

Anvendelse: 5G Base Station Power Amplifier, med en frekvens på mere end 28 GHz.