Chất nền là cơ sở vật lý của thiết bị và xác định tính khả thi và chi phí tăng trưởng epiticular .
Lớp epiticular là lõi chức năng và hiệu suất điện và quang học được tối ưu hóa thông qua thiết kế cấu trúc và pha tạp chính xác .
Sự phù hợp của hai (mạng, nhiệt, điện) là chìa khóa cho các thiết bị hiệu suất cao, điều khiển công nghệ bán dẫn đến tần số cao hơn, công suất cao hơn và mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn .}
1. Chất nền
Định nghĩa và chức năng
Hỗ trợ vật lý: Chất nền là chất mang của thiết bị bán dẫn, thường là một tấm mỏng tinh thể tròn hoặc vuông (như silicon wafer) .
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 (epitaxy đồng nhất) hoặc khớp (epitaxy không đồng nhất) .
Cơ sở điện: Một số chất nền trực tiếp tham gia vào dẫn điện (như các thiết bị năng lượng dựa trên silicon) hoặc đóng vai trò cách điện để phân lập mạch (như chất nền Sapphire) .
2. So sánh các vật liệu cơ chất chính
| Vật liệu | Của cải | Các ứng dụng điển hình |
| Silicon (SI) | Chi phí thấp, công nghệ trưởng thành, độ dẫn nhiệt trung bình | Mạch tích hợp, MOSFET, IGBT |
| Sapphire (Al₂o₃) | cách nhiệt, điện trở nhiệt độ cao, không khớp mạng lớn (lên đến 13% với GaN) | Đèn LED dựa trên GAN và các thiết bị RF |
| Carbide silicon (sic) | Độ dẫn nhiệt cao, cường độ trường phân tích cao, điện trở nhiệt độ cao | Mô -đun điện xe điện, thiết bị RF của trạm cơ sở 5G |
| Gallium Arsenide (GaAs) | Đặc điểm tần số cao tuyệt vời, ban nhạc trực tiếp | Chip RF, điốt laser, pin mặt trời |
| Gallium nitride (GaN) | Tính di động điện tử cao, điện áp cao | Bộ điều hợp sạc nhanh, thiết bị giao tiếp sóng milimet |
3. Các cân nhắc cốt lõi cho lựa chọn chất nền
Kết hợp mạng: Giảm các khiếm khuyết lớp epiticular (như Gan/Sapphire Lattice không phù hợp là 13%, yêu cầu lớp đệm) .
Phù hợp với hệ số giãn nở nhiệt: Tránh bẻ khóa ứng suất do thay đổi nhiệt độ .
Khả năng tương thích chi phí và quy trình: Ví dụ, chất nền Silicon thống trị dòng chính do các quy trình trưởng thành .
2. lớp epiticular
1. định nghĩa và mục đích
Tăng trưởng epiticular: Tiền gửi màng mỏng tinh thể đơn trên bề mặt chất nền bằng các phương pháp hóa học hoặc vật lý, và sự sắp xếp nguyên tử được căn chỉnh nghiêm ngặt với chất nền .
Vai trò 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/Algaas) .
Các khuyết tật chất nền phân lập (chẳng hạn như khiếm khuyết micropipe trong chất nền SIC) .
2. Phân loại công nghệ epitaxial
3. Các tham số chính của thiết kế lớp epiticular
Độ dày: Từ một vài nanomet (giếng lượng tử) đến hàng chục micron (lớp epiticular của thiết bị năng lượng) .
Doping: Kiểm soát chính xác nồng độ chất mang bằng các tạp chất pha tạp như phốt pho (loại N) và boron (p-type) .
Chất lượng giao diện: Không phù hợp mạng liên tục cần được giảm bớt bởi các lớp bộ đệm (như GaN/ALN) hoặc các superlattices căng thẳng .
4. Các thách thức và giải pháp của mạng tăng trưởng Heteroepiticular không phù hợp:
Lớp bộ đệm dần dần: dần dần thay đổi thành phần từ lớp 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 mở rộng nhiệt tương tự hoặc sử dụng thiết kế giao diện linh hoạt .
3. Các trường hợp ứng dụng hợp tác của chất nền và epitaxy
Trường hợp 1: Chất nền LED dựa trên GAN: Sapphire (chi phí thấp, cách điện) .
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 nhiều giếng lượng tử → lớp phát sáng .
Lớp GaN loại P → Cung cấp các 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 kháng cáo thấp hơn 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: Silicon độ bền cao (chi phí thấp, tích hợp dễ dàng) .
Epilayer: Lớp tạo mầm ALN → làm giảm sự không phù hợp mạng giữa Si và GaN (16%) .
Lớp bộ đệm GaN → Chụp lỗi và ngăn chặn chúng mở rộng sang lớp hoạt động .
Algan/GaN Heterojunon → tạo thành kênh di động điện tử cao (Hemt) .
Ứng dụng: Bộ khuếch đại công suất trạm cơ sở 5G, tần số có thể đạt hơn 28 GHz .}