Le substrat est la base physique de l'appareil et détermine la faisabilité et le coût de la croissance épitaxiale .
La couche épitaxiale est le noyau fonctionnel, et les performances électriques et optiques sont optimisées par la conception structurelle et le dopage précis .
L'appariement des deux (réseau, chaleur, électricité) est la clé des dispositifs haute performance, conduisant la technologie des semi-conducteurs à une fréquence plus élevée, une puissance plus élevée et une consommation d'énergie inférieure .
1. substrat
Définition et fonction
Support physique: le substrat est le porteur du dispositif semi-conducteur, généralement une feuille mince monocristalline ronde ou carrée (comme la plaquette de silicium) .
Modèle de cristal: fournit un modèle pour la disposition atomique pour la croissance de la couche épitaxiale pour garantir que la couche épitaxiale est cohérente avec la structure cristalline du substrat (épitaxie homogène) ou correspond (épitaxie hétérogène) .
Base électrique: Certains substrats participent directement à la conduction des appareils (comme les dispositifs d'alimentation à base de silicium) ou servent d'isolateurs à isoler les circuits (comme les substrats saphir) .
2. Comparaison des matériaux de substrat grand public
| Matériel | Propriétés | Applications typiques |
| Silicon (Si) | Technologie à faible coût et mature, conductivité thermique moyenne | Circuit intégré, MOSFET, IGBT |
| saphir (al₂o₃) | Isolation, résistance à haute température, grande inadéquation du réseau (jusqu'à 13% avec GAn) | LED et périphériques RF à base de GAN |
| Carbure de silicium (sic) | Haute conductivité thermique, résistance élevée au champ de dégradation, résistance à haute température | Modules d'alimentation du véhicule électrique, dispositifs RF de la station de base 5G |
| Arséniure de gallium (GaAs) | Excellentes caractéristiques de haute fréquence, bande interdite directe | Chips RF, diodes laser, cellules solaires |
| Nitrure de gallium (GAN) | Mobilité électronique élevée, résistance à haute tension | Adaptateur de charge rapide, dispositif de communication à ondes millimétriques |
3. Considérations de base pour la sélection du substrat
Correspondance du réseau: réduire les défauts de la couche épitaxiale (tels que l'inadéquation de réseau Gan / Sapphire de 13%, nécessitant une couche tampon) .
Coefficient d'extension thermique correspondant: éviter les fissures de contrainte causées par les changements de température .
Compatibilité des coûts et des processus: par exemple, les substrats de silicium dominent le courant dominant en raison de processus matures .
2. couche épitaxiale
1. Définition et objectif
Croissance épitaxiale: Déposez les films minces monocristaux sur la surface du substrat par des méthodes chimiques ou physiques, et la disposition atomique est strictement alignée avec le substrat .
Rôle principal:
Améliorer la pureté des matériaux (le substrat peut contenir des impuretés) .
Construire des structures hétérogènes (telles que les puits quantiques GAAS / algaas) .
Isoler les défauts du substrat (tels que les défauts de micropytes dans les substrats sic) .
2. Classification de la technologie épitaxiale
3. Paramètres clés de la conception de la couche épitaxiale
Épaisseur: de quelques nanomètres (puits quantiques) à des dizaines de microns (couche épitaxiale de dispositif d'alimentation) .
DOPING: Contrôlez précisément la concentration de porteuse en dopant des impuretés telles que le phosphore (n-type) et le bore (type p) .
Qualité de l'interface: l'inadéquation du réseau doit être atténuée par les couches de tampon (comme Gan / Aln) ou les super-réseaux tendus .
4. Défis et solutions de l'inadéquation du réseau de croissance hétéroépitaxiale:
Couche de tampon graduelle: changez progressivement la composition du substrat en couche épitaxiale (comme la couche de gradient algan) .
Couche de nucléation à basse température: développer des couches minces à basse température pour réduire le stress (comme la couche de nucléation aln à basse température de Gan) .
Déliachance thermique: Sélectionnez une combinaison de matériaux avec des coefficients d'extension thermique similaires ou utilisez une conception d'interface flexible .
3. Cas de candidatures collaboratifs de substrat et d'épitaxy
Cas 1: substrat LED basé sur Gan: Sapphire (faible coût, isolation) .
Structure épitaxiale:
Couche de tampon (ALN ou GAN à basse température) → Réduire les défauts de mésappariement de réseau .
Couche GAn de type N → Fournir des électrons .
Ingan / gan puits quantiques multiples → Couche d'émission de lumière .
Couche Gan de type P → Fournir des trous .
Résultat: La densité des défauts est aussi faible que 10⁸ cm⁻², et l'efficacité lumineuse est considérablement améliorée .
Cas 2: SIC Power MOSFET
Substrat: monocristal 4H-SIC (tension résistée jusqu'à 10 kV) .
Couche épitaxiale:
Couche de dérive SIC de type N (épaisseur 10-100 μm) → résister à haute tension .
Région de base SIC de type P → Formation de canal de contrôle .
Avantages: 90% inférieur à la résistance que les appareils en silicium, 5 fois plus rapide de vitesse de commutation .
Cas 3: Substrat de dispositif GAn RF à base de silicium: Silicon à haute résistance (faible coût, intégration facile) .
Epilayer: Couche de nucléation de l'ALN → Amplayer l'inadéquation du réseau entre Si et Gan (16%) .
Couche de tampon GAn → capturer les défauts et les empêcher de s'étendre à la couche active .
Hétérojonction Algan / Gan → Formez un canal de mobilité électronique élevée (HEMT) .
Application: amplificateur de puissance de la station de base 5G, la fréquence peut atteindre plus de 28 GHz .
