Substratet är den fysiska grunden för enheten och bestämmer genomförbarheten och kostnaden för epitaxiell tillväxt.
Epitaxialskiktet är den funktionella kärnan, och den elektriska och optiska prestanda optimeras genom strukturell design och exakt doping.
Matchningen av de två (gitter, värme, el) är nyckeln till högpresterande enheter, drivande halvledarteknologi till högre frekvens, högre effekt och lägre kraftförbrukning.
1. Underlag
Definition och funktion
Fysiskt stöd: Substratet är bäraren av halvledaranordningen, vanligtvis ett rund eller fyrkantigt enkristalltunt ark (såsom kiselskiva).
Kristallmall: Tillhandahåller en mall för atomarrangemang för epitaxial skikttillväxt för att säkerställa att det epitaxiella skiktet är förenligt med substratkristallstrukturen (homogen epitaxi) eller matchningar (heterogen epitax).
Elektrisk grund: Vissa underlag deltar direkt i enhetsledning (såsom kiselbaserade kraftanordningar) eller fungerar som isolatorer för att isolera kretsar (såsom safirunderlag).
2. Jämförelse av mainstream -underlagsmaterial
| Material | Egenskaper | Typiska applikationer |
| kisel (SI) | Låg kostnad, mogen teknik, medelhög värmeledningsförmåga | Integrerad krets, MOSFET, IGBT |
| Sapphire (Al₂o₃) | isolering, hög temperaturmotstånd, stor gittermatchning (upp till 13% med GaN) | GaN-baserade lysdioder och RF-enheter |
| Kiselkarbid (sic) | Hög värmeledningsförmåga, hög nedbrytningsfältstyrka, hög temperaturmotstånd | Electric Vehicle Power Modules, 5G Base Station RF Devices |
| Gallium arsenid (GaAs) | Utmärkta högfrekvensegenskaper, direkt bandgap | RF -chips, laserdioder, solceller |
| Galliumnitrid (GaN) | Hög elektronmobilitet, högspänningsmotstånd | Snabbladdningsadapter, Millimeter Wave Communication Device |
3. Kärnhänsyn för val av substrat
Gittermatchning: Minska epitaxialskiktsdefekter (såsom GaN\/Sapphire -gitter -missanpassning på 13%, vilket kräver ett buffertlager).
Matchande termisk expansionskoefficient: Undvik stresssprickor orsakade av temperaturförändringar.
Kostnads- och processkompatibilitet: Till exempel dominerar kiselunderlag mainstream på grund av mogna processer.
2. Epitaxialskikt
1. Definition och syfte
Epitaxial tillväxt: avsätta enkristalltunna filmer på substratytan med kemiska eller fysiska metoder, och atomarrangemanget är strikt anpassat till underlaget.
Kärnroll:
Förbättra materiell renhet (underlaget kan innehålla föroreningar).
Konstruera heterogena strukturer (såsom GaAs\/Algaas kvantbrunnar).
Isolera substratdefekter (såsom mikropipefel i SIC -substrat).
2. Klassificering av epitaxial teknik
3. Viktiga parametrar för Epitaxial Layer Design
Tjocklek: från några nanometer (kvantbrunnar) till tiotals mikron (kraftanordningens epitaxialskikt).
Doping: Kontrollera exakt bärarkoncentrationen genom dopingföroreningar såsom fosfor (n-typ) och bor (p-typ).
Gränssnittskvalitet: Littermisjanchar måste lindras av buffertlager (såsom GaN\/ALN) eller ansträngda superlattices.
4. Utmaningar och lösningar av heteroepitaxial tillväxtgitter Mismatch:
Gradvis buffertskikt: Ändra gradvis kompositionen från substrat till epitaxialskikt (såsom Algan -gradientskikt).
Kärnbildningsskikt med låg temperatur: Odla tunna skikt vid låg temperatur för att minska stress (såsom lågtemperatur ALN-kärnbildningsskikt av GaN).
Termisk missanpassning: Välj en kombination av material med liknande termiska expansionskoefficienter eller använd en flexibel gränssnittsdesign.
3. Samarbetsansökningsfall av substrat och epitaxi
Fall 1: GaN-baserat LED-substrat: safir (låg kostnad, isolering).
Epitaxial struktur:
Buffertskikt (ALN eller lågtemperatur GaN) → Minska felanpassningsfel.
N-typ GaN-skikt → Ge elektroner.
INGAN\/GAN Multipla kvantbrunnar → Ljusemitterande lager.
P-typ GaN-skikt → Ge hål.
Resultat: Defektdensitet är så låg som 10⁸ cm⁻², och lysande effektivitet förbättras avsevärt.
Fall 2: Sic Power MOSFET
Substrat: 4H-SIC enkelkristall (tål spänning upp till 10 kV).
Epitaxial Layer:
N-typ SiC-driftskikt (tjocklek 10-100 μm) → Tål högspänning.
P-typ SIC-basregion → Kontrollkanalbildning.
Fördelar: 90% lägre på resistensen än kiselanordningar, 5 gånger snabbare växlingshastighet.
Fall 3: Kiselbaserad GaN RF-enhetssubstrat: Högresistens kisel (låg kostnad, enkel integration).
Epilayer: ALN Nucleation Layer → Lindra gitterets missanpassning mellan SI och GaN (16%).
GaN -buffertskikt → fånga defekter och förhindra dem från att sträcka sig till det aktiva skiktet.
Algan\/GaN Heterojunction → bildar en hög elektronmobilitetskanal (HEMT).
Tillämpning: 5G BASE STATION Power Amplifier, frekvens kan nå mer än 28 GHz.