Sự khác biệt giữa chất nền bán dẫn và epitaxy

1. Chất nền

1. Định nghĩa và chức năng

· Hỗ trợ vật lý: Chất nền là chất mang của thiết bị bán dẫn, thường là một wafer tinh thể đơn tròn hoặc vuông (như wafer silicon).

· Mẫu tinh thể: Cung cấp một mẫu để sắp xếp nguyên tử cho sự phát triển của lớp epiticular để đảm bảo rằng lớp epiticular phù hợp với cấu trúc tinh thể cơ chất (homoepiticular) hoặc khớp (dị vòng).

· Cơ sở điện: Một phần của chất nền trực tiếp tham gia vào việc dẫn điện của thiết bị (như các thiết bị năng lượng dựa trên silicon) hoặc hoạt động như một chất cách điện để cô lập mạch (như chất nền sapphire).

2. So sánh các vật liệu cơ chất chính

3. Cân nhắc cốt lõi cho lựa chọn chất nền

· Kết hợp mạng: Giảm các khiếm khuyết lớp epiticular (ví dụ: GAN\/SAPPHIRE không phù hợp mạng tinh thể đạt 13%, yêu cầu lớp đệm).

· Kết hợp hệ số giãn nở nhiệt: Tránh bẻ khóa căng thẳng do thay đổi nhiệt độ.

· Khả năng tương thích chi phí và quy trình: Ví dụ, các chất nền silicon thống trị dòng chính do các quá trình trưởng thành.

2. Lớp epiticular

1. Định nghĩa và mục đích

Tăng trưởng epiticular: Sự lắng đọng của màng mỏng tinh thể đơn trên bề mặt chất nền bằng các phương pháp hóa học hoặc vật lý, với sự sắp xếp nguyên tử phù hợp với chất nền.

Các chức năng cốt lõi:

• Cải thiện độ tinh khiết vật liệu (chất nền có thể chứa tạp chất).
• Xây dựng các cấu trúc không đồng nhất (như giếng lượng tử GaAs\/tảo).
• Các khuyết tật chất nền phân lập (như khiếm khuyết micropipe trên chất nền SIC).

2. Phân loại công nghệ epitaxial

3. Các thông số chính của thiết kế lớp epiticular

• Độ dày: Từ một vài nanomet (tốt lượng tử) đến hàng chục micron (epilayer của các thiết bị năng lượng).
• Doping: Kiểm soát chính xác nồng độ chất mang bằng cách pha tạp các tạp chất như phốt pho (loại N) và boron (loại P).
• Chất lượng giao diện: Không phù hợp mạng lưới cần được giảm bớt bởi lớp đệm (như GaN\/ALN) hoặc superlattice căng thẳng.

4. Những thách thức và giải pháp của sự tăng trưởng dị hóa

• Không khớp mạng:
• Lớp đệm gradient: dần dần thay đổi thành phần từ chất nền sang lớp epiticular (chẳng hạn như lớp gradient algan).
• Lớp tạo mầm nhiệt độ thấp: phát triển các lớp mỏng ở nhiệt độ thấp để giảm căng thẳng (chẳng hạn như lớp tạo mầm ALN ở nhiệt độ thấp của GaN).
• Sự không phù hợp về nhiệt: Chọn kết hợp các vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt tương tự hoặc sử dụng thiết kế giao diện linh hoạt.

3. Các trường hợp ứng dụng hiệp đồng của chất nền và epitaxy

Trường hợp 1: Đèn LED dựa trên GAN

Chất nền: Sapphire (chi phí thấp, cách nhiệt).

Cấu trúc epiticular:

• Lớp đệm (GaN ALN hoặc nhiệt độ thấp) → Giảm các khiếm khuyết không khớp mạng.
• Lớp GaN loại N → Cung cấp các electron.
• Ingan\/gan đa chất lượng → lớp phát sáng.
• Lớp GAN loại P → Cung cấp lỗ.

Kết quả: Mật độ khiếm khuyết thấp tới 10⁸ cm⁻² và hiệu quả phát sáng được cải thiện đáng kể.

Trường hợp 2: SIC Power MOSFET

Chất nền: tinh thể đơn 4H-SiC (chịu được điện áp lên đến 10 kV).

Lớp epitaxial:

• Lớp trôi SIC loại N (độ dày 10-100 m) → chịu được điện áp cao.
• Vùng cơ sở SIC loại p → hình thành kênh điều khiển.

Ưu điểm: Tăng khả năng chống chống chống lại 90% so với các thiết bị silicon, tốc độ chuyển đổi nhanh hơn 5 lần.

Trường hợp 3: Thiết bị GaN RF dựa trên silicon

Chất nền: Silicon có độ bền cao (chi phí thấp, dễ tích hợp).

Lớp epitaxial:

• Lớp tạo mầm ALN → làm giảm bớt sự không phù hợp mạng giữa SI và GaN (16%).
• Lớp đệm GaN → nắm bắt các khuyết tật và ngăn chặn chúng mở rộng sang lớp hoạt động.
• Heterojunion Algan\/GaN → tạo thành kênh di động điện tử cao (HEMT).

Ứng dụng: Bộ khuếch đại công suất trạm cơ sở 5G, với tần số hơn 28 GHz.