Substratet er det fysiske grundlag for enheden og bestemmer gennemførligheden og omkostningerne ved epitaksial vækst.
Det epitaksiale lag er den funktionelle kerne, og den elektriske og optiske ydelse er optimeret gennem strukturel design og præcis doping.
Matchning af de to (gitter, varme, elektricitet) er nøglen til højtydende enheder, der fører halvlederteknologi til højere frekvens, højere strøm og lavere strømforbrug.
1. underlag
Definition og funktion
Fysisk understøttelse: Underlaget er bæreren af halvlederindretningen, normalt et runde eller firkantede enkeltkrystaltyndt ark (såsom siliciumskive).
Crystal Template: Tilvejebringer en skabelon til atomarrangement for vækst i epitaksial lag for at sikre, at det epitaksiale lag er i overensstemmelse med substratkrystallstrukturen (homogen epitaxy) eller kampe (heterogen epitaxy).
Elektrisk grundlag: Nogle underlag deltager direkte i enhedsledning (såsom siliciumbaserede effektanordninger) eller tjener som isolatorer til at isolere kredsløb (såsom safirsubstrater).
2. Sammenligning af mainstream -substratmaterialer
| Materiale | Egenskaber | Typiske applikationer |
| Silicon (SI) | Lave omkostninger, moden teknologi, medium termisk ledningsevne | Integreret kredsløb, MOSFET, IGBT |
| Sapphire (Al₂o₃) | Isolering, høj temperaturresistens, stor gittermatch (op til 13% med GaN) | GAN-baserede LED'er og RF-enheder |
| Siliciumcarbid (sic) | Høj termisk ledningsevne, Feltstyrke med høj nedbrydning, høj temperaturresistens | Electric Vehicle Power Modules, 5G Base Station RF -enheder |
| Gallium Arsenide (GAAS) | Fremragende højfrekvensegenskaber, direkte båndgap | RF -chips, laserdioder, solceller |
| Gallium Nitride (GAN) | Høj elektronmobilitet, høj spændingsmodstand | Hurtig opladningsadapter, Millimeter Wave -kommunikationsenhed |
3. Kerneovervejelser til valg af substrat
Gitter matchning: Reducer epitaksiale lagfejl (såsom GaN/Sapphire -gittermatch på 13%, hvilket kræver et pufferlag).
Matchende termisk ekspansionskoefficient: 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: Depositum med enkelt krystal tynde film på substratoverfladen ved kemiske eller fysiske metoder, og atomarrangementet er strengt justeret med underlaget.
Kerne rolle:
Forbedre materiel renhed (underlaget kan indeholde urenheder).
Konstruer heterogene strukturer (såsom GaAs/AlgaAs Quantum Wells).
Isolere substratdefekter (såsom mikropipefekter i SIC -underlag).
2. klassificering af epitaksial teknologi
3. nøgleparametre for epitaksialt lagdesign
Tykkelse: Fra et par nanometre (kvantebrønde) til titusinder af mikron (effektenheds epitaksiallag).
Doping: Kontroller nøjagtigt bærerkoncentrationen ved doping urenheder såsom fosfor (N-type) og bor (P-type).
Grænsefladekvalitet: Gitter -misforhold skal afhjælpes af pufferlag (såsom GaN/ALN) eller anstrengte superlattices.
4. Udfordringer og løsninger af heteroepitaxial vækstgittermatch:
Graduelt bufferlag: 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. samarbejdsanvendelsessager om substrat og epitaksy
Tilfælde 1: Gan-baseret LED-underlag: Sapphire (lave omkostninger, isolering).
Epitaksial struktur:
Bufferlag (ALN eller lavtemperatur GaN) → Reducer gittermisbrugsdefekter.
N-type GaN-lag → leverer elektroner.
INGAN/GAN Flere kvantebrønde → 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.
Tilfælde 3: Siliciumbaseret GaN RF-enhedssubstrat: Silicium med høj modstand (lave omkostninger, let integration).
Epilayer: ALN -nucleationslag → lindrer gitter -misforholdet mellem SI og GaN (16%).
GAN -pufferlag → Fang defekter og forhindrer dem i at strække sig til det aktive lag.
Algan/Gan Heterojunction → Form en høj elektronmobilitetskanal (HEMT).
Anvendelse: 5G Base Station Power Amplifier, frekvens kan nå mere end 28 GHz.
