Podlaga je fizična osnova naprave in določa izvedljivost in stroške rasti epitaksialne rasti .
Epitaksialna plast je funkcionalno jedro, električna in optična zmogljivost pa sta optimizirana s strukturnim oblikovanjem in natančnim dopingom .
Ujemanje obeh (rešetka, toplota, elektrika) je ključ do visokozmogljivih naprav, ki poganjajo polprevodniško tehnologijo do večje frekvence, večje energije in manjše porabe energije .
1. substrat
Definicija in funkcija
Fizikalna podpora: podlaga je nosilec polprevodniške naprave, običajno okrogla ali kvadratna enojna kristalna tanka lista (na primer silicijeva rezina) .
Kristalna predloga: zagotavlja predlogo za atomsko razporeditev za rast epitaksialne plasti, da se zagotovi, da je epitaksialna plast skladna s kristalno strukturo substrata (homogena epitaksija) ali ujema (heterogena epitaksija) .
Električna podlaga: Nekateri substrati neposredno sodelujejo v prevodnosti naprav (na primer silicijeve napajalne naprave) ali služijo kot izolatorji za izolacijo vezij (na primer sapphirske podlage) .
2. Primerjava gradiva za gradivo podlago
| Material | Lastnosti | Tipične aplikacije |
| Silicij (SI) | Nizki stroški, zrela tehnologija, srednja toplotna prevodnost | Integrirano vezje, MOSFET, IGBT |
| safir (al₂o₃) | izolacija, visoka temperaturna odpornost, velika neusklajenost rešetk (do 13% z GAN) | LED in RF naprave na osnovi GAN |
| Silicijev karbid (sic) | Visoka toplotna prevodnost, trdnost polja z visoko razpadom, visoka temperaturna odpornost | Električni moduli za električno vozilo, 5G bazne postaje RF naprave |
| Gallium arsenid (Gaas) | Odlične visokofrekvenčne značilnosti, neposredni pas | RF čipi, laserske diode, sončne celice |
| Gallium nitrid (gan) | Visoka mobilnost elektronov, visoka napetostna upornost | Hitro polnjenje adapterja, komunikacijska naprava za milimeter |
3. temeljni premisleki za izbiro podlage
Ujemanje rešetk: Zmanjšajte napake v epitaksialni plasti (na primer neusklajenost rešetke GAN/Sapphire v višini 13%, ki zahteva plast pufra) .
Ujemanje koeficienta toplotne ekspanzije: izogibajte se razpokanju napetosti, ki jih povzročajo temperaturne spremembe .
Združljivost stroškov in procesov: na primer silicijeve podlage prevladujejo v glavnem toku zaradi zrelih procesov .
2. epitaksialni sloj
1. definicija in namen
Epitaksialna rast: enojne kristalne tanke filme na površino substrata položite s kemičnimi ali fizikalnimi metodami, atomska razporeditev pa je strogo poravnana s substratom .
Temeljna vloga:
Izboljšajte čistost materiala (podlaga lahko vsebuje nečistoče) .
Konstruirajte heterogene strukture (na primer kvantne vrtine GAAS/algaas) .
Izolirajte okvare substrata (na primer okvare mikropipe v sic podlagah) .
2. Klasifikacija epitaksialne tehnologije
3. Ključni parametri zasnove epitaksialne plasti
Debelina: od nekaj nanometrov (kvantne vrtine) do več deset mikronov (epitaksialna plast napajalne naprave) .
Doping: natančno nadzorujte koncentracijo nosilca z dopinškimi nečistočami, kot sta fosfor (n-tip) in boron (p-tipa) .
Kakovost vmesnika: Neskladje rešetk je treba ublažiti s plastmi medpomnilnikov (na primer GAN/ALN) ali napolnjenimi superlatci .
4. Izzivi in rešitve heteroepitaksialne rastne rešetke neusklajenosti:
Postopna pufer plast: Postopoma spremenite sestavo iz substrata v epitaksialni sloj (kot je Algan Gradient Layer) .
Nukleacijska plast z nizko temperaturo: pri nizki temperaturi gojite tanke plasti, da zmanjšate napetost (na primer nizkotemperaturna aLN je nuklearna plast gan) .
Termična neusklajenost: Izberite kombinacijo materialov s podobnimi koeficienti toplotne ekspanzije ali uporabite prožno zasnovo vmesnika .
3. Primeri skupnih aplikacij substrata in epitaksije
Primer 1: LED podlaga na osnovi GAN: sapphire (nizki stroški, izolacija) .
Epitaksialna struktura:
VAMNI PLAYER (ALN ali nizkotemperaturni gan) → Zmanjšajte napake v neusklajenosti rešetke .
N-Type GaN Slast → Navedite elektrone .
Ingan/gan Več kvantnih vrtin → Svetlobna plast .
P-Type GaN Slast → Navedite luknje .
Rezultat: Gostota napak je le 10 ° CM⁻², svetlobna učinkovitost pa je znatno izboljšana .
Primer 2: Sic Power MOSFET
Substrat: 4H-SIC enojni kristal (zdrži napetost do 10 kV) .
Epitaksialna plast:
N-Type SIC plast zaostajanja (debelina 10-100 μm) → zdrži visokonapetostno .
P-tipa sic osnovna regija → Nastajanje krmilnih kanalov .
Prednosti: 90% nižja odpornost kot silicijeve naprave, 5-krat hitrejša hitrost preklopa .
Primer 3: Silicijeva podlaga GAN RF naprave: Silicij z visoko odpornostjo (nizka cena, enostavna integracija) .
Epilayer: ALN Nucleation Layer → Olajšanje neusklajenosti rešetke med SI in Ganom (16%) .
GAN pufer plast → Zajem napak in preprečuje, da bi se razširili na aktivno plast .
Algan/gan Heterojunction → tvori visok kanal mobilnosti elektronov (hemt) .
Aplikacija: ojačevalnik napajanja bazne postaje 5G lahko doseže več kot 28 GHz .