सब्सट्रेट डिवाइस का भौतिक आधार है और एपिटैक्सियल ग्रोथ की व्यवहार्यता और लागत को निर्धारित करता है।
एपिटैक्सियल परत कार्यात्मक कोर है, और विद्युत और ऑप्टिकल प्रदर्शन को संरचनात्मक डिजाइन और सटीक डोपिंग के माध्यम से अनुकूलित किया जाता है।
दो (जाली, गर्मी, बिजली) का मिलान उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरणों की कुंजी है, उच्च आवृत्ति, उच्च शक्ति और कम बिजली की खपत के लिए अर्धचालक प्रौद्योगिकी को चलाना।
1। सब्सट्रेट
परिभाषा और कार्य
शारीरिक समर्थन: सब्सट्रेट सेमीकंडक्टर डिवाइस का वाहक है, आमतौर पर एक गोल या चौकोर सिंगल क्रिस्टल थिन शीट (जैसे कि सिलिकॉन वेफर)।
क्रिस्टल टेम्पलेट: एपिटैक्सियल लेयर ग्रोथ के लिए परमाणु व्यवस्था के लिए एक टेम्पलेट प्रदान करता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि एपिटैक्सियल परत सब्सट्रेट क्रिस्टल संरचना (सजातीय एपिटैक्सी) या मैच (विषम एपिटैक्सी) के अनुरूप है।
विद्युत आधार: कुछ सब्सट्रेट सीधे डिवाइस चालन (जैसे कि सिलिकॉन-आधारित बिजली उपकरण) में भाग लेते हैं या सर्किट (जैसे नीलम सब्सट्रेट) को अलग करने के लिए इंसुलेटर के रूप में काम करते हैं।
2। मुख्यधारा के सब्सट्रेट सामग्री की तुलना
| सामग्री | गुण | विशिष्ट अनुप्रयोग |
| सिलिकॉन (एसआई) | कम लागत, परिपक्व प्रौद्योगिकी, मध्यम तापीय चालकता | एकीकृत सर्किट, MOSFET, IGBT |
| नीलम (al₂o₃) | इन्सुलेशन, उच्च तापमान प्रतिरोध, बड़े जाली बेमेल (जीएएन के साथ 13% तक) | गण-आधारित एल ई डी और आरएफ उपकरण |
| सिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी) | उच्च तापीय चालकता, उच्च ब्रेकडाउन क्षेत्र की ताकत, उच्च तापमान प्रतिरोध | इलेक्ट्रिक वाहन पावर मॉड्यूल, 5 जी बेस स्टेशन आरएफ डिवाइस |
| गैलियम आर्सेनाइड (जीएएएस) | उत्कृष्ट उच्च आवृत्ति विशेषताओं, प्रत्यक्ष बैंडगैप | आरएफ चिप्स, लेजर डायोड, सौर कोशिकाएं |
| गैलियम नाइट्राइड (GAN) | उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता, उच्च वोल्टेज प्रतिरोध | फास्ट चार्जिंग एडाप्टर, मिलीमीटर तरंग संचार उपकरण |
3। सब्सट्रेट चयन के लिए मुख्य विचार
जाली मिलान: एपिटैक्सियल परत दोषों को कम करें (जैसे कि GAN/नीलम जालीदार बेमेल 13%, एक बफर परत की आवश्यकता होती है)।
मैचिंग थर्मल विस्तार गुणांक: तापमान में बदलाव के कारण होने वाले तनाव क्रैकिंग से बचें।
लागत और प्रक्रिया संगतता: उदाहरण के लिए, सिलिकॉन सब्सट्रेट परिपक्व प्रक्रियाओं के कारण मुख्यधारा पर हावी हैं।
2। एपिटैक्सियल परत
1। परिभाषा और उद्देश्य
एपिटैक्सियल ग्रोथ: रासायनिक या भौतिक तरीकों से सब्सट्रेट सतह पर एकल क्रिस्टल पतली फिल्में जमा करें, और परमाणु व्यवस्था को सब्सट्रेट के साथ सख्ती से गठबंधन किया जाता है।
मुख्य भूमिका:
सामग्री शुद्धता में सुधार (सब्सट्रेट में अशुद्धियां हो सकती हैं)।
विषम संरचनाओं का निर्माण करें (जैसे कि GAAS/ALGAAS क्वांटम वेल्स)।
सब्सट्रेट दोषों को अलग करें (जैसे कि SIC सब्सट्रेट में माइक्रोपाइप दोष)।
2। एपिटैक्सियल प्रौद्योगिकी का वर्गीकरण
3। एपिटैक्सियल लेयर डिज़ाइन के प्रमुख पैरामीटर
मोटाई: कुछ नैनोमीटर (क्वांटम कुओं) से लेकर दसियों माइक्रोन (पावर डिवाइस एपिटैक्सियल लेयर) तक।
डोपिंग: फॉस्फोरस (एन-टाइप) और बोरान (पी-टाइप) जैसे डोपिंग अशुद्धियों द्वारा वाहक एकाग्रता को ठीक से नियंत्रित करें।
इंटरफ़ेस गुणवत्ता: जाली बेमेल को बफर परतों (जैसे कि GAN/ALN) या तनावपूर्ण सुपरलैटिस द्वारा कम करने की आवश्यकता होती है।
4। हेटेरोएपिटैक्सियल ग्रोथ जाली की चुनौतियां और समाधान बेमेल:
क्रमिक बफर परत: धीरे -धीरे सब्सट्रेट से एपिटैक्सियल लेयर (जैसे अलगन ग्रेडिएंट लेयर) में रचना को बदलें।
कम-तापमान न्यूक्लिएशन परत: तनाव को कम करने के लिए कम तापमान पर पतली परतें उगाएं (जैसे कि कम तापमान वाले ALN न्यूक्लिएशन परत GAN की परत)।
थर्मल मिसमैच: समान थर्मल विस्तार गुणांक के साथ सामग्रियों के संयोजन का चयन करें, या एक लचीली इंटरफ़ेस डिजाइन का उपयोग करें।
3। सब्सट्रेट और एपिटैक्सी के सहयोगी आवेदन मामले
केस 1: GAN- आधारित एलईडी सब्सट्रेट: नीलम (कम लागत, इन्सुलेशन)।
एपिटैक्सियल संरचना:
बफर परत (ALN या कम-तापमान GAN) → जाली बेमेल दोषों को कम करें।
N- प्रकार GAN परत → इलेक्ट्रॉन प्रदान करें।
INGAN/GAN मल्टीपल क्वांटम वेल्स → लाइट-एमिटिंग लेयर।
पी-टाइप जीएएन लेयर → छेद प्रदान करते हैं।
परिणाम: दोष घनत्व 10⁸ cm, के रूप में कम है, और चमकदार दक्षता में काफी सुधार होता है।
केस 2: एसआईसी पावर मोसफेट
सब्सट्रेट: 4H-SIC सिंगल क्रिस्टल (10 kV तक वोल्टेज का सामना करना)।
एपिटैक्सियल लेयर:
एन-टाइप एसआईसी ड्रिफ्ट लेयर (मोटाई 10-100 μM) → उच्च वोल्टेज का सामना करना।
पी-टाइप एसआईसी बेस क्षेत्र → नियंत्रण चैनल गठन।
लाभ: सिलिकॉन उपकरणों की तुलना में 90% कम प्रतिरोध, 5 गुना तेजी से स्विचिंग गति।
केस 3: सिलिकॉन-आधारित जीएएन आरएफ डिवाइस सब्सट्रेट: उच्च-प्रतिरोध सिलिकॉन (कम लागत, आसान एकीकरण)।
एपिलियर: ALN NUCLEATION LAYER → SI और GAN (16%) के बीच जाली बेमेल को कम करता है।
GAN बफर लेयर → दोषों को पकड़ें और उन्हें सक्रिय परत तक फैली होने से रोकें।
Algan/Gan Heterojunction → एक उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता चैनल (HEMT) बनाएं।
आवेदन: 5 जी बेस स्टेशन पावर एम्पलीफायर, आवृत्ति 28 गीगाहर्ट्ज से अधिक तक पहुंच सकती है।