สารตั้งต้นเป็นพื้นฐานทางกายภาพของอุปกรณ์และกำหนดความเป็นไปได้และค่าใช้จ่ายของการเติบโตของ epitaxial .
เลเยอร์ epitaxial เป็นแกนกลางที่ใช้งานได้และประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและออปติคัลได้รับการปรับให้เหมาะสมผ่านการออกแบบโครงสร้างและการยาสลบที่แม่นยำ .
การจับคู่ของทั้งสอง (lattice, ความร้อน, ไฟฟ้า) เป็นกุญแจสำคัญในอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง, การขับขี่เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ไปยังความถี่ที่สูงขึ้นพลังงานที่สูงขึ้นและการใช้พลังงานลดลง .}
1. สารตั้งต้น
คำจำกัดความและฟังก์ชั่น
การสนับสนุนทางกายภาพ: สารตั้งต้นเป็นพาหะของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มักจะเป็นแผ่นผลึกแบบกลมกลมหรือสี่เหลี่ยมจัตุรัส (เช่นเวเฟอร์ซิลิคอน) .}
เทมเพลตคริสตัล: จัดเตรียมเทมเพลตสำหรับการจัดเรียงอะตอมสำหรับการเจริญเติบโตของชั้น epitaxial เพื่อให้แน่ใจว่าชั้น epitaxial สอดคล้องกับโครงสร้างผลึกพื้นผิว (epitaxy homogeneous) หรือการจับคู่ (epitaxy ที่แตกต่างกัน) .}}
พื้นฐานไฟฟ้า: บางส่วนของสารตั้งต้นมีส่วนร่วมโดยตรงในการนำอุปกรณ์ (เช่นอุปกรณ์พลังงานจากซิลิคอน) หรือทำหน้าที่เป็นฉนวนกันความร้อนเพื่อแยกวงจร (เช่นพื้นผิวแซฟไฟร์) .}
2. การเปรียบเทียบวัสดุวัสดุหลัก
| วัสดุ | คุณสมบัติ | แอปพลิเคชันทั่วไป |
| ซิลิกอน (SI) | ต้นทุนต่ำเทคโนโลยีผู้ใหญ่การนำความร้อนขนาดกลาง | วงจรรวม MOSFET, IGBT |
| Sapphire (Al₂o₃) | ฉนวนกันความร้อนความต้านทานอุณหภูมิสูงความไม่ตรงกันของตาข่ายขนาดใหญ่ (สูงถึง 13% กับ GAN) | ไฟ LED ที่ใช้ GAN และอุปกรณ์ RF |
| ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SIC) | ค่าการนำความร้อนสูงความแรงของสนามสลายสูงความต้านทานอุณหภูมิสูง | โมดูลพลังงานรถยนต์ไฟฟ้า, อุปกรณ์ RF สถานีฐาน 5G |
| Gallium Arsenide (GAAS) | ลักษณะความถี่สูงที่ยอดเยี่ยม bandgap โดยตรง | ชิป RF, เลเซอร์ไดโอด, เซลล์แสงอาทิตย์ |
| Gallium Nitride (Gan) | การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงความต้านทานแรงดันสูง | อะแดปเตอร์ชาร์จที่รวดเร็วอุปกรณ์สื่อสารคลื่นมิลลิเมตร |
3. ข้อควรพิจารณาหลักสำหรับการเลือกสารตั้งต้น
การจับคู่ Lattice: ลดข้อบกพร่องของชั้น epitaxial (เช่น Gan/Sapphire lattice ไม่ตรงกัน 13%ต้องใช้เลเยอร์บัฟเฟอร์) .
การจับคู่สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน: หลีกเลี่ยงการแตกร้าวของความเครียดที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ .
ค่าใช้จ่ายและความเข้ากันได้ของกระบวนการ: ตัวอย่างเช่นพื้นผิวซิลิกอนครอบงำกระแสหลักเนื่องจากกระบวนการที่เป็นผู้ใหญ่ .}
2. เลเยอร์ epitaxial
1. คำจำกัดความและวัตถุประสงค์
การเจริญเติบโตของ Epitaxial: สะสมฟิล์มบาง ๆ ผลึกเดี่ยวบนพื้นผิวพื้นผิวด้วยวิธีการทางเคมีหรือทางกายภาพและการจัดเรียงอะตอมนั้นจัดเรียงอย่างเคร่งครัดกับสารตั้งต้น .
บทบาทหลัก:
ปรับปรุงความบริสุทธิ์ของวัสดุ (สารตั้งต้นอาจมีสิ่งสกปรก) .
สร้างโครงสร้างที่แตกต่างกัน (เช่น GAAS/Algaas Quantum Wells) .
ข้อบกพร่องของสารตั้งต้นแบบแยก (เช่นข้อบกพร่อง micropipe ใน SIC substrates) .
2. การจำแนกประเภทของเทคโนโลยี epitaxial
3. พารามิเตอร์คีย์ของการออกแบบเลเยอร์ epitaxial
ความหนา: จากนาโนเมตร (ควอนตัมบ่อ) ไปจนถึงหลายสิบไมครอน (เลเยอร์อุปกรณ์ไฟฟ้า epitaxial) .
ยาสลบ: ควบคุมความเข้มข้นของผู้ให้บริการได้อย่างแม่นยำโดยการเติมสิ่งสกปรกเช่นฟอสฟอรัส (n-type) และโบรอน (p-type) .
คุณภาพอินเตอร์เฟส: Lattice Mismatch จะต้องบรรเทาโดยเลเยอร์บัฟเฟอร์ (เช่น Gan/Aln) หรือ Superlattices ที่ทำให้เครียด .}
4. ความท้าทายและการแก้ปัญหาของการเจริญเติบโตของ heteroepitaxial การเติบโตที่ไม่ตรงกัน:
เลเยอร์บัฟเฟอร์แบบค่อยเป็นค่อยไป: ค่อยๆเปลี่ยนองค์ประกอบจากสารตั้งต้นเป็นเลเยอร์ epitaxial (เช่นเลเยอร์การไล่ระดับสีอัลแกน) .
เลเยอร์นิวเคลียสอุณหภูมิต่ำ: เติบโตชั้นบางที่อุณหภูมิต่ำเพื่อลดความเครียด (เช่นชั้นนิวเคลียส ALN อุณหภูมิต่ำของ GAN) .}
ความร้อนไม่ตรงกัน: เลือกการรวมกันของวัสดุที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายความร้อนที่คล้ายกันหรือใช้การออกแบบอินเตอร์เฟสที่ยืดหยุ่น .
3. กรณีแอปพลิเคชันร่วมกันของสารตั้งต้นและ epitaxy
กรณีที่ 1: สารตั้งต้น LED ที่ใช้ GAN: Sapphire (ต้นทุนต่ำ, ฉนวน) .
โครงสร้าง epitaxial:
เลเยอร์บัฟเฟอร์ (ALN หรือ GAN อุณหภูมิต่ำ) →ลดข้อบกพร่องที่ไม่ตรงกันของตาข่าย .
เลเยอร์ N-type gan →ให้อิเล็กตรอน .
Ingan/Gan หลายควอนตัมบ่อ→เลเยอร์เปล่งแสง .
P-type gan layer →ให้หลุม .
ผลลัพธ์: ความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำถึง10⁸CM⁻²และประสิทธิภาพการส่องสว่างดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ .}
กรณีที่ 2: SIC Power MOSFET
สารตั้งต้น: ผลึกเดี่ยว 4H-SIC (ทนต่อแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 10 kV) .
เลเยอร์ Epitaxial:
N-type sic drift layer (ความหนา 10-100 μm) →ทนต่อแรงดันไฟฟ้าสูง .}
P-type SIC Base Region → Control Channel Formation .
ข้อดี: 90% ต่ำกว่าการต้านทานมากกว่าอุปกรณ์ซิลิกอนความเร็วการสลับเร็วกว่า 5 เท่า .
กรณีที่ 3: สารตั้งต้นอุปกรณ์ GAN RF ที่ใช้ซิลิกอน: ซิลิกอนที่มีความต้านทานสูง (ราคาต่ำการรวมง่าย) .
Epilayer: Aln Nucleation Layer →บรรเทาความไม่ตรงกันของ Lattice ระหว่าง Si และ Gan (16%) .
Gan Buffer Layer →จับข้อบกพร่องและป้องกันไม่ให้ขยายไปยังเลเยอร์ที่ใช้งานอยู่ .
Algan/Gan heterojunction →สร้างช่องสัญญาณอิเล็กตรอนสูง (HEMT) .
แอปพลิเคชัน: แอมพลิฟายเออร์พลังงานของสถานีฐาน 5G ความถี่สามารถเข้าถึงได้มากกว่า 28 GHz .
