1. Substrat
1. Tanım ve işlev
· Fiziksel Destek: Substrat, genellikle dairesel veya kare tek kristal gofret (silikon gofret gibi) yarı iletken cihazın taşıyıcısıdır.
· Kristal Şablon: epitaksiyal tabakanın substrat kristal yapısı (homoepitaksiyal) veya eşleşmeler (heteroepitaksiyal) ile tutarlı olmasını sağlamak için epitaksiyal tabaka büyümesi için atomik düzenleme için bir şablon sağlar.
· Elektriksel temel: Substratın bir kısmı, cihazın iletimine doğrudan katılır (silikon bazlı güç cihazları gibi) veya devreyi (safir substrat gibi) izole etmek için bir izolatör görevi görür.
2. Ana akım substrat malzemelerinin karşılaştırılması
|
Malzeme |
Özellikler |
Tipik uygulamalar |
|
Silikon (SI) |
Düşük maliyetli, olgun teknoloji, orta termal iletkenlik |
Entegre Devreler, MOSFET, IGBT |
|
Safir (Al₂o₃) |
Yalıtım, yüksek sıcaklık direnci, büyük kafes uyuşmazlığı (GAN ile% 13'e kadar) |
Gan tabanlı LED'ler, RF cihazları |
|
Silikon Karbür (sic) |
Yüksek termal iletkenlik, yüksek arıza alan gücü, yüksek sıcaklık direnci |
Elektrikli Araç Güç Modülleri, 5G Baz İstasyonu RF Cihazları |
|
Galyum Arsenide (Gaas) |
Mükemmel yüksek frekans özellikleri, doğrudan bant boşluğu |
RF yongaları, lazer diyotlar, güneş pilleri |
|
Galyum Nitrür (Gan) |
Yüksek elektron hareketliliği, yüksek voltaj direnci |
Hızlı şarj adaptörü, milimetre dalga iletişim cihazları |
3. Substrat seçimi için temel hususlar
· Kafes eşleştirme: epitaksiyal tabaka kusurlarını azaltın (örneğin Gan\/Safir kafes uyuşmazlığı%13'e ulaşır, bir tampon tabakası gerektirir).
· Termal Genişleme Katsayısı Eşleşmesi: Sıcaklık değişikliklerinden kaynaklanan stres çatlamasını önleyin.
· Maliyet ve süreç uyumluluğu: Örneğin, silikon substratlar olgun süreçler nedeniyle ana akıma hakimdir.
2. epitaksiyal tabaka
1. tanım ve amaç
Epitaksiyal büyüme: substrat yüzeyine tek kristal ince filmin kimyasal veya fiziksel yöntemlerle birikmesi, atomik düzenleme kesinlikle substrat ile hizalanmıştır.
Çekirdek işlevler:
- Malzeme saflığını iyileştirin (substrat safsızlıklar içerebilir).
- Heterojen yapılar (GaAs\/Algaas kuantum kuyuları gibi) oluşturun.
- Substrat kusurlarını izole edin (SIC substratlarındaki mikropip kusurları gibi).
2. Epitaksiyal teknolojinin sınıflandırılması
|
Teknoloji |
İlke |
Özellikler |
Uygulanabilir malzemeler |
|
Mocvd |
Metal Organik Kaynak + Gaz Reaksiyonu (Gan üretmek için TMGA + NH₃ gibi) |
Bileşik yarı iletkenler için uygun, seri üretim |
Gan, gaas, inp |
|
MBE |
Ultra yüksek vakum altında moleküler ışın tabakası tabakası tabakası birikimi |
Atom seviyesi kontrol, yavaş büyüme oranı, yüksek maliyet |
Süper tabak, kuantum noktaları |
|
LPCVD (Türkçe) |
Düşük basınç altında silikon kaynak gazının (sih₄ gibi) termal ayrışması |
Ana silikon epitaksi teknolojisi, iyi tekdüzelik |
SI, Sige |
|
Hvpe |
Yüksek sıcaklıklı halide buhar fazı epitaksi |
Hızlı büyüme oranı, kalın filmler için uygun (GAN substratları gibi) |
Gan, zno |
3. Epitaksiyal katman tasarımının temel parametreleri
- Kalınlık: Birkaç nanometreden (kuantum kuyusu) onlarca mikrona (güç cihazlarının epilayer).
- Doping: Fosfor (N-tipi) ve bor (P-tipi) gibi kirlilikleri doping ile taşıyıcı konsantrasyonunu tam olarak kontrol edin.
- Arayüz kalitesi: Kafes uyuşmazlığı, tampon tabakası (GaN\/ALN gibi) veya gergin süper tabakla hafifletilmelidir.
4. Heteroepitaksiyal büyümenin zorlukları ve çözümleri
- Kafes uyuşmazlığı:
- Gradyan tampon tabakası: Bileşimi kademeli olarak substrattan epitaksiyal tabakaya (Algan gradyan tabakası gibi) değiştirin.
- Düşük sıcaklık çekirdeklenme tabakası: Stresi azaltmak için düşük sıcaklıkta ince tabakalar yetiştirin (düşük sıcaklıkta aln çekirdeklenme tabakası gibi).
- Termal uyumsuzluk: Benzer termal genleşme katsayılarına sahip malzemelerin bir kombinasyonunu seçin veya esnek bir arayüz tasarımı kullanın.
3. substrat ve epitaksinin sinerjistik uygulama vakaları
Durum 1: GAN tabanlı LED
Substrat: Safir (düşük maliyet, yalıtım).
Epitaksiyal yapı:
- Tampon tabakası (ALN veya düşük sıcaklık Gan) → Kafes uyumsuzluğu kusurlarını azaltın.
- N-tipi Gan tabakası → elektronlar sağlayın.
- InGan\/Gan Multi-Quantum Kuyu → Işık yayan katman.
- P-Tip Gan Katmanı → Delikler sağlayın.
Sonuç: Kusur yoğunluğu 10⁸ cm⁻² kadar düşüktür ve aydınlık verimlilik önemli ölçüde iyileştirilmiştir.
Durum 2: SIC Power Mosfet
Substrat: 4H-SIC tek kristal (10 kV'ye kadar voltaja dayandır).
Epitaksiyal tabaka:
- N-tipi sic sürüklenme tabakası (kalınlık 10-100 μm) → Yüksek voltaja dayanın.
- P-Tipi SIC Taban Bölgesi → Kontrol Kanalı Oluşumu.
Avantajları: Silikon cihazlardan% 90 daha düşük direnç, 5 kat daha hızlı anahtarlama hızı.
Durum 3: Silikon Tabanlı Gan RF Cihazları
Substrat: Yüksek dirençli silikon (düşük maliyet, entegre edilmesi kolay).
Epitaksiyal tabaka:
- ALN çekirdeklenme tabakası → Si ve Gan arasındaki kafes uyumsuzluğunu hafifletir (%16).
- Gan tampon katmanı → kusurları yakalar ve aktif katmana uzanmasını önler.
- Algan\/Gan Heterojunction → Yüksek elektron hareketlilik kanalı (HEMT) oluşturur.
Uygulama: 5G baz istasyonu güç amplifikatörü, 28 GHz'den fazla frekans.
