Il substrato è la base fisica del dispositivo e determina la fattibilità e il costo della crescita epitassiale .
Lo strato epitassiale è il nucleo funzionale e le prestazioni elettriche e ottiche sono ottimizzate attraverso la progettazione strutturale e il doping preciso .
La corrispondenza dei due (reticolo, calore, elettricità) è la chiave per i dispositivi ad alte prestazioni, guidando la tecnologia dei semiconduttori a frequenza più elevata, potenza superiore e minore consumo di energia .
1. substrato
Definizione e funzione
Supporto fisico: il substrato è il vettore del dispositivo a semiconduttore, di solito un foglio sottile a cristallo singolo rotondo o quadrato (come il 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 (epitassia omogenea) o abbina (epitassia eterogenea) .
Base elettrica: alcuni substrati partecipano direttamente alla conduzione del dispositivo (come dispositivi di alimentazione basati sul silicio) o servono come isolanti per isolare i circuiti (come i substrati di zaffiro) .
2. Confronto dei materiali del substrato mainstream
| Materiale | Proprietà | Applicazioni tipiche |
| silicio (SI) | Tecnologia a basso costo, maturo, conducibilità termica media | Circuito integrato, MOSFET, IGBT |
| Sapphire (Al₂o₃) | Isolamento, resistenza ad alta temperatura, mancata corrispondenza reticolare (fino al 13% con GAN) | LED basati su GAN e dispositivi RF |
| 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 |
| Gallio Arsenide (GAAS) | Eccellenti caratteristiche ad alta frequenza, gap di banda diretto | Chip RF, diodi laser, celle solari |
| Nitruro di gallio (GAN) | Alta mobilità elettronica, resistenza ad alta tensione | Adattatore di ricarica rapida, dispositivo di comunicazione delle onde millimetriche |
3. considerazioni principali per la selezione del substrato
Matching reticolare: ridurre i difetti dello strato epitassiale (come la mancata corrispondenza del reticolo GAN/Sapphire del 13%, che richiede un livello buffer) .
Coefficiente di espansione termica corrispondente: evitare il crack di stress causati da variazioni di temperatura .
Compatibilità del costo e del processo: ad esempio, i substrati di silicio dominano il mainstream a causa di processi maturi .
2. livello epitassiale
1. Definizione e scopo
Crescita epitassiale: depositare film sottili a cristallo singolo sulla superficie del substrato con metodi chimici o fisici e la disposizione atomica è rigorosamente allineata con il substrato .
Ruolo principale:
Migliorare la purezza del materiale (il substrato può contenere impurità) .
Costruisci strutture eterogenee (come Gaas/Algaas Quantum Wells) .
Isolare i difetti del substrato (come i difetti di microlipe nei substrati SIC) .
2. classificazione della tecnologia epitassiale
3. parametri chiave del design del livello epitassiale
Spessore: da alcuni nanometri (pozzi quantistici) a decine di micron (livello di alimentazione epitassiale) .
DOVING: Controlla precisamente la concentrazione del portatore mediante impurità del doping come il fosforo (tipo n) e il boro (type p) .
Qualità dell'interfaccia: la mancata corrispondenza reticolare deve essere alleviata da livelli buffer (come Gan/aln) o superlattici tesi .
4. sfide e soluzioni di mancata corrispondenza del reticolo di crescita eteroepitassiale:
Livello di buffer graduale: modificare gradualmente la composizione dal substrato a livello epitassiale (come il livello di gradiente Algan) .
Strato 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 una progettazione di interfaccia flessibile .
3. Casi di applicazione collaborativa di substrato ed epitassia
Caso 1: substrato a LED basato su GAN: Sapphire (basso costo, isolamento) .
Struttura epitassiale:
Layer buffer (ALN o GAN a bassa temperatura) → Ridurre i difetti di mancata corrispondenza reticolare .
Livello GAN di tipo n → Fornire elettroni .
Ingan/GAN Wells quantistico multiplo → Livello emettoso leggero .
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: 4H-SIC singolo cristallo (resisti alla tensione fino a 10 kV) .
Strato epitassiale:
Sic Drift Layer (spessore {{1} μm) → Restringere ad alta tensione .
Regione di base SIC di tipo p-tipo → Formazione del canale di controllo .
Vantaggi: 90% inferiore di resistenza rispetto ai dispositivi di silicio, velocità di commutazione 5 volte più veloce .
Caso 3: substrato dispositivo GAN RF a base di silicio: silicio ad alta resistenza (a basso costo, facile integrazione) .
Epilayer: Aln Nucleazione Stratto → Allevia la mancata corrispondenza del reticolo tra Si e Gan (16%) .
Livello buffer GAN → Acquisisci difetti e impedisce loro di estendersi al livello attivo .
Eterojunction algan/gan → forma un canale di mobilità elettronica elevata (hemt) .
Applicazione: amplificatore di potenza della stazione base 5G, la frequenza può raggiungere più di 28 GHz .
