El sustrato es la base física del dispositivo y determina la viabilidad y el costo del crecimiento epitaxial .
La capa epitaxial es el núcleo funcional, y el rendimiento eléctrico y óptico se optimiza a través del diseño estructural y el dopaje preciso .
La coincidencia de los dos (red, calor, electricidad) es la clave para los dispositivos de alto rendimiento, conduciendo la tecnología de semiconductores a una frecuencia más alta, mayor potencia y menor consumo de energía .
1. sustrato
Definición y función
Soporte físico: el sustrato es el portador del dispositivo semiconductor, generalmente una lámina delgada de un solo cristal redondo o cuadrado (como la oblea de silicio) .
Plantilla de cristal: proporciona una plantilla para la disposición atómica para el crecimiento de la capa epitaxial para garantizar que la capa epitaxial sea consistente con la estructura de cristal del sustrato (epitaxia homogénea) o coincidencias (epitaxia heterogénea) .}
Base eléctrica: algunos sustratos participan directamente en la conducción de dispositivos (como dispositivos de energía basados en silicio) o sirven como aisladores para aislar circuitos (como sustratos de zafiro) .
2. Comparación de materiales de sustrato convencional
| Material | Propiedades | Aplicaciones típicas |
| silicio (Si) | Bajo costo, tecnología madura, conductividad térmica media | Circuito integrado, MOSFET, IGBT |
| Sapphire (Al₂o₃) | aislamiento, alta resistencia a la temperatura, desajuste de red grande (hasta 13% con GaN) | LED basados en GaN y dispositivos RF |
| Carburo de silicio (sic) | Alta conductividad térmica, alta resistencia al campo de descomposición, alta resistencia a la temperatura | Módulos de energía de vehículos eléctricos, dispositivos RF de la estación base 5G |
| Gallium Arsenide (Gaas) | Excelentes características de alta frecuencia, banda directa | Chips RF, diodos láser, células solares |
| Nitruro de galio (gan) | Alta movilidad de electrones, alta resistencia a voltaje | Adaptador de carga rápida, dispositivo de comunicación de onda milímetro |
3. Consideraciones principales para la selección del sustrato
Matadización de la red: reduzca los defectos de la capa epitaxial (como el desajuste de la red de Gan/Sapphire del 13%, que requiere una capa de amortiguación) .
Coeficiente de expansión térmica coincidente: evite el agrietamiento por estrés causado por los cambios de temperatura .
Compatibilidad de costos y procesos: por ejemplo, los sustratos de silicio dominan la corriente principal debido a los procesos maduros .
2. capa epitaxial
1. Definición y propósito
Crecimiento epitaxial: deposite películas de un solo cristal en la superficie del sustrato mediante métodos químicos o físicos, y la disposición atómica está estrictamente alineada con el sustrato .
Papel central:
Mejorar la pureza del material (el sustrato puede contener impurezas) .
Construya estructuras heterogéneas (como Gaas/Algaas Quantum Wells) .
Aislar defectos del sustrato (como defectos de micropipe en sustratos SIC) .
2. Clasificación de la tecnología epitaxial
3. Parámetros clave del diseño de la capa epitaxial
Grosor: desde unos pocos nanómetros (pozos cuánticos) hasta decenas de micras (capa epitaxial del dispositivo de alimentación) .
Doping: controle con precisión la concentración del portador mediante impurezas de dopaje como fósforo (tipo N) y boro (type) .
Calidad de la interfaz: la falta de coincidencia debe aliviarse con capas de amortiguación (como Gan/ALN) o superlatticias tensas .
4. Desafíos y soluciones de desajuste de red de crecimiento heteroepitaxial:
Capa de búfer gradual: cambie gradualmente la composición del sustrato a la capa epitaxial (como la capa de gradiente de Algan) .
Capa de nucleación de baja temperatura: cultiva capas delgadas a baja temperatura para reducir el estrés (como la capa de nucleación ALN a baja temperatura de Gan) .
Desajuste térmico: seleccione una combinación de materiales con coeficientes de expansión térmica similares o use un diseño de interfaz flexible .
3. Casos de aplicaciones colaborativas de sustrato y epitaxia
Caso 1: sustrato LED basado en GaN: zafiro (bajo costo, aislamiento) .
Estructura epitaxial:
Capa de búfer (ALN o GaN de baja temperatura) → Reduzca los defectos de desajuste de la celosía .
Capa de GaN de tipo N → Proporcionar electrones .
Ingan/Gan múltiples pozos cuánticos → capa emisora de luz .
Capa GaN de tipo P → Proporcionar agujeros .
Resultado: la densidad de defectos es tan baja como 10⁸ cm⁻², y la eficiencia luminosa mejora significativamente .
Caso 2: Sic Power Mosfet
Sustrato: cristal único 4H-SIC (voltaje de soporte de hasta 10 kV) .
Capa epitaxial:
N-type sic Drift Layer (espesor 10-100 μm) → resistir alto voltaje .
Región base SIC de tipo P → Formación de canal de control .
Ventajas: 90% menos de resistencia que los dispositivos de silicio, la velocidad de conmutación 5 veces más rápida .
Caso 3: sustrato de dispositivo GaN RF basado en silicio: silicio de alta resistencia (bajo costo, integración fácil) .
EPILAYER: Capa de nucleación ALN → Aliviar el desajuste de la red entre Si y Gan (16%) .
Capa de búfer de GaN → Captura defectos y evite que se extiendan a la capa activa .
Algan/Gan Heteroyunción → Forma un canal de movilidad de electrones alto (hemt) .
Aplicación: Amplificador de potencia de la estación base 5G, la frecuencia puede alcanzar más de 28 GHz .