1. Substrato
1. Definizione e funzione
· Supporto fisico: il substrato è il vettore del dispositivo a semiconduttore, di solito un wafer a cristallo singolo circolare o quadrato (come un wafer di silicio).
· Modello di cristallo: fornisce un modello per la disposizione atomica per la crescita dello strato epitassiale per garantire che lo strato epitassiale sia coerente con la struttura cristallina del substrato (omoepitassiale) o le corrispondenze (eteroepitassiale).
· Base elettrica: parte del substrato partecipa direttamente alla conduzione del dispositivo (come dispositivi di alimentazione basati sul silicio) o funge da isolante per isolare il circuito (come un substrato di zaffiro).
2. Confronto dei materiali del substrato mainstream
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Materiali |
Caratteristiche |
Applicazioni tipiche |
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Silicio (SI) |
Tecnologia a basso costo, maturo, conducibilità termica media |
Circuiti integrati, MOSFET, IGBT |
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Sapphire (Al₂o₃) |
Isolamento, resistenza ad alta temperatura, mancata corrispondenza reticolare (fino al 13% con GAN) |
LED a base di GAN, dispositivi RF |
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Silicio carburo (sic) |
Alta conduttività termica, alta resistenza al campo di rottura, resistenza ad alta temperatura |
Moduli di alimentazione del veicolo elettrico, dispositivi RF stazione base 5G |
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Gallio Arsenide (GAAS) |
Eccellenti caratteristiche ad alta frequenza, gap di banda diretta |
Chip RF, diodi laser, celle solari |
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Nitruro di gallio (GAN) |
alta mobilità elettronica, resistenza ad alta tensione |
Adattatore di ricarica rapida, dispositivi di comunicazione delle onde millimetriche |
3. Considerazioni fondamentali per la selezione del substrato
· Matching reticolare: ridurre i difetti dello strato epitassiale (ad es. La mancata corrispondenza del reticolo Gan\/zaffiro raggiunge il 13%, che richiede uno strato tampone).
· Abbinamento del coefficiente di espansione termica: evitare il crack di stress causati dalle variazioni di temperatura.
· Compatibilità dei costi e del processo: ad esempio i substrati di silicio dominano il mainstream a causa di processi maturi.
2. Strato epitassiale
1. Definizione e scopo
Crescita epitassiale: deposizione di film sottile a cristallo singolo sulla superficie del substrato con metodi chimici o fisici, con la disposizione atomica rigorosamente allineata con il substrato.
Funzioni di base:
- Migliorare la purezza del materiale (il substrato può contenere impurità).
- Costruisci strutture eterogenee (come i pozzi quantistici GAAS\/ALGAAS).
- Isolare i difetti del substrato (come i difetti di microlipe sui substrati SIC).
2. Classificazione della tecnologia epitassiale
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Tecnologia |
Principio |
Caratteristiche |
Materiali applicabili |
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Mocvd |
Reazione di gas organica in metallo + GAS (come TMGA + NH₃ per generare GAN) |
Adatto a semiconduttori composti, produzione di massa |
Gan, gaas, inp |
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Mbe |
Deposizione di strato di raggio molecolare sotto vuoto ultra-alto |
Controllo a livello atomico, tasso di crescita lento, costo elevato |
Superlattice, punti quantici |
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LPCVD |
Decomposizione termica del gas sorgente di silicio (come SIH₄) a bassa pressione |
Tecnologia epitassia al silicio tradizionale, buona uniformità |
Si, Sige |
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Hvpe |
Epitassia della fase vapore alicata ad alta temperatura |
Tasso di crescita rapido, adatto a film spessi (come substrati GAN) |
Gan, zno |
3. Parametri chiave del design del livello epitassiale
- Spessore: da alcuni nanometri (pozzo quantico) a decine di micron (epilayer di dispositivi di alimentazione).
- DOVING: Controlla precisamente la concentrazione del portatore mediante impurità del doping come il fosforo (tipo N) e il boro (tipo P).
- Qualità dell'interfaccia: la mancata corrispondenza reticolare deve essere alleviata dallo strato tampone (come GAN\/ALN) o Superlattice tesa.
4. Sfide e soluzioni di crescita eteroepitassiale
- Mismatch reticolare:
- Livello tampone gradiente: modificare gradualmente la composizione dal substrato a strato epitassiale (come il livello di gradiente di Algan).
- Stratto di nucleazione a bassa temperatura: aumentare gli strati sottili a bassa temperatura per ridurre lo stress (come lo strato di nucleazione ALN a bassa temperatura di GAN).
- Mismatch termico: selezionare una combinazione di materiali con simili coefficienti di espansione termica o utilizzare un design di interfaccia flessibile.
3. Casi di applicazione sinergica di substrato ed epitassia
Caso 1: LED a base di GAN
Substrato: zaffiro (basso costo, isolamento).
Struttura epitassiale:
- Strato tampone (GAN ALN o a bassa temperatura) → Ridurre i difetti di mancata corrispondenza reticolare.
- Strato GAN di tipo n → fornire elettroni.
- Ingan\/GAN Multi-quantum Well → strato a emissione di luce.
- Livello GAN di tipo P → Fornire buchi.
Risultato: la densità del difetto è inferiore a 10⁸ cm⁻² e l'efficienza luminosa è significativamente migliorata.
Caso 2: SIC Power Mosfet
Substrato: cristallo singolo 4H-SIC (tensione di resistenza fino a 10 kV).
Strato epitassiale:
- Sic Drift Layer di tipo n (spessore 10-100 μm) → Restringere ad alta tensione.
- Regione base SIC di tipo P → Formazione del canale di controllo.
Vantaggi: 90% inferiore di resistenza rispetto ai dispositivi di silicio, velocità di commutazione 5 volte più veloce.
Caso 3: dispositivi GAN RF a base di silicio
Substrato: silicio ad alta resistenza (a basso costo, facile da integrare).
Strato epitassiale:
- Lo strato di nucleazione Aln → allevia la mancata corrispondenza reticolare tra SI e GAN (16%).
- Livello tampone GAN → Cattura i difetti e impedisce loro di estendersi allo strato attivo.
- Eterojunction Algan\/Gan → forma un canale di mobilità elettronica elevata (HEMT).
Applicazione: amplificatore di potenza della stazione base 5G, con una frequenza di oltre 28 GHz.