Хагас дамжуулагчийн суурь ба эпитакси: Орчин үеийн цахилгаан болон радио давтамжийн төхөөрөмжүүдийн ард байгаа техникийн үндэс суурь

Хагас дамжуулагч технологийн дэвшил нь хоёр чухал чиглэлээр гарсан нээлтүүдээр улам бүр тодорхойлогдож байна:субстратуудмөнэпитаксиал давхаргуудЭдгээр хоёр бүрэлдэхүүн хэсэг нь цахилгаан тээврийн хэрэгсэл, 5G суурь станцууд, хэрэглээний электроник болон оптик холбооны системд ашиглагддаг дэвшилтэт төхөөрөмжүүдийн цахилгаан, дулааны болон найдвартай байдлын гүйцэтгэлийг тодорхойлохын тулд хамтран ажилладаг.

Субстрат нь физик болон талст суурийг бүрдүүлдэг бол эпитаксиаль давхарга нь өндөр давтамжтай, өндөр хүчин чадалтай эсвэл оптоэлектроник зан төлөвийг бий болгодог функциональ цөмийг бүрдүүлдэг. Тэдгээрийн нийцтэй байдал - талстын уялдаа холбоо, дулааны тэлэлт, цахилгаан шинж чанар нь илүү өндөр үр ашигтай, хурдан шилжих, эрчим хүчний хэмнэлттэй төхөөрөмжүүдийг хөгжүүлэхэд чухал үүрэгтэй.

Энэ нийтлэлд субстрат ба эпитаксиал технологиуд хэрхэн ажилладаг, яагаад чухал болох, мөн тэдгээр нь хагас дамжуулагч материалын ирээдүйг хэрхэн бүрдүүлдэг талаар тайлбарласан болно.Si, GaN, GaAs, индранил болон SiC.

1. Юу вэХагас дамжуулагч суурь?

Субстрат гэдэг нь төхөөрөмжийг суурилуулсан дан талст “платформ” юм. Энэ нь бүтцийн дэмжлэг, дулаан тархалт, өндөр чанартай эпитаксиал өсөлтөд шаардлагатай атомын загварыг хангадаг.

Субстратын гол үүрэг

• Механик дэмжлэг:Төхөөрөмжийг боловсруулах болон ажиллуулах явцад бүтцийн хувьд тогтвортой байлгахыг баталгаажуулдаг.

• Кристал загвар:Эпитаксиал давхаргыг атомын тортой зэрэгцүүлэн ургахад чиглүүлж, согогийг бууруулдаг.

• Цахилгааны үүрэг:Цахилгаан дамжуулах (жишээ нь, Si, SiC) эсвэл тусгаарлагч (жишээ нь, индранил) болж чаддаг.

Нийтлэг суурь материалууд

Субстратыг хэрхэн үйлдвэрлэдэг вэ

1. Материалын цэвэршүүлэлт:Цахиур эсвэл бусад нэгдлүүдийг маш цэвэршилттэй болтол нь цэвэршүүлдэг.

2. Дан талст өсөлт:

   • Чохралски (Чех)– цахиурын хамгийн түгээмэл арга.

   • Хөвөгч бүс (FZ)– хэт өндөр цэвэршилттэй талстуудыг үүсгэдэг.

3. Вафер зүсэх болон өнгөлөх:Буле нь вафли хэлбэртэй хэрчиж, атомын гөлгөр болтол өнгөлдөг.

4. Цэвэрлэгээ ба үзлэг:Бохирдуулагчийг зайлуулж, согогийн нягтралыг шалгана.

Техникийн сорилтууд

Зарим дэвшилтэт материалууд, ялангуяа SiC нь маш удаан талстын өсөлт (ердөө 0.3-0.5 мм/цаг), хатуу температурын хяналтын шаардлага, их хэмжээний зүсэлтийн алдагдал (SiC керфийн алдагдал >70% хүрч болно) зэргээс шалтгаалан үйлдвэрлэхэд хэцүү байдаг. Энэхүү нарийн төвөгтэй байдал нь гуравдагч үеийн материалууд үнэтэй хэвээр байгаагийн нэг шалтгаан юм.

2. Эпитаксиал давхарга гэж юу вэ?

Эпитаксиал давхарга ургуулах гэдэг нь суурь дээр нимгэн, өндөр цэвэршилттэй, дан талст хальсыг торны чиглэлд төгс байрлуулна гэсэн үг юм.

Эпитаксиал давхарга нь дараахыг тодорхойлдогцахилгаан зан төлөвэцсийн төхөөрөмжийн.

Эпитакси яагаад чухал вэ

• Кристал цэвэршилтийг нэмэгдүүлдэг

• Өөрчлөн тохируулсан допингийн профайлыг идэвхжүүлдэг

• Субстратын гажигийн тархалтыг бууруулдаг

• Квант худаг, HEMT болон супер тор зэрэг инженерчлэлийн аргаар боловсруулсан гетеро бүтцийг үүсгэдэг

Эпитаксийн үндсэн технологиуд

Эпитаксийн чухал параметрүүд

• Давхаргын зузаан:Квант худгийн нанометр, цахилгаан төхөөрөмжүүдийн хувьд 100 мкм хүртэл.

• Допинг:Хольцыг нарийн нэвтрүүлснээр тээвэрлэгчийн концентрацийг тохируулна.

• Интерфэйсийн чанар:Торны тохиромжгүй байдлаас үүдэлтэй мултрал болон стрессийг багасгах ёстой.

Гетероэпитакси дахь бэрхшээлүүд

• Торны тохиромжгүй байдал:Жишээлбэл, GaN болон сапфир нь ~13%-иар таарахгүй байна.

• Дулааны тэлэлтийн зөрүү:Хөргөх үед хагарал үүсгэж болзошгүй.

• Согог хяналт:Буфер давхарга, зэрэглэлтэй давхарга эсвэл цөмжилтийн давхарга шаардлагатай.

3. Субстрат ба эпитакси хэрхэн хамтдаа ажилладаг вэ: Бодит амьдралын жишээнүүд

Sapphire дээрх GaN LED гэрэл

• Саффир нь хямд бөгөөд дулаалга сайтай.

• Буфер давхаргууд (AlN эсвэл бага температурт GaN) нь торны үл нийцлийг бууруулдаг.

• Олон квант худгууд (InGaN/GaN) нь идэвхтэй гэрэл ялгаруулах бүсийг үүсгэдэг.

• 10⁸ см⁻²-ээс доош согогийн нягтрал болон өндөр гэрлийн үр ашгийг бий болгоно.

SiC Power MOSFET

• Өндөр задлах чадвартай 4H-SiC суурь ашигладаг.

• Эпитаксиал шилжилтийн давхаргууд (10–100 μм) нь хүчдэлийн үнэлгээг тодорхойлдог.

• Цахиурын цахилгаан төхөөрөмжүүдтэй харьцуулахад ~90% бага дамжуулалтын алдагдлыг санал болгодог.

ГаН-цахилгаан дээр суурилсан RF төхөөрөмжүүд

• Цахиурын суурь нь зардлыг бууруулж, CMOS-той нэгтгэх боломжийг олгодог.

• AlN цөмийн давхаргууд болон инженерчлэгдсэн буферууд нь деформацийг хянадаг.

• Миллиметрийн долгионы давтамжтайгаар ажилладаг 5G PA чипүүдэд ашиглагддаг.

4. Субстрат ба Эпитакси: Гол ялгаанууд

5. Эдгээр технологиуд хаашаа чиглэж байна вэ

Илүү том хэмжээтэй вафли

• Si нь 12 инч рүү шилжиж байна

• SiC нь 6 инчээс 8 инч болж өөрчлөгдөж байна (зардлын томоохон бууралт)

• Илүү том диаметр нь дамжуулах чадварыг сайжруулж, төхөөрөмжийн зардлыг бууруулдаг

Хямд өртөгтэй гетероэпитакси

GaN-on-Si болон GaN-on-сапфир нь үнэтэй уугуул GaN субстратын хувилбар болгон ашиглагдсаар байна.

Тайрах болон ургуулах дэвшилтэт аргууд

• Хүйтэн хуваах аргаар зүсэх нь SiC керфийн алдагдлыг ~75% -иас ~50% хүртэл бууруулж чадна.

• Сайжруулсан зуухны загвар нь SiC-ийн гарц болон жигд байдлыг нэмэгдүүлдэг.

Оптик, цахилгаан болон RF функцүүдийн интеграци

Эпитакси нь ирээдүйн нэгдсэн фотоник болон өндөр үр ашигтай цахилгаан электроникуудад зайлшгүй шаардлагатай квант худаг, супер тор, хурцадмал давхаргыг бий болгодог.

Дүгнэлт

Орчин үеийн хагас дамжуулагчдын технологийн гол тулгуур нь суурь ба эпитакси юм. Субстрат нь физик, дулааны болон талст суурийг тогтоодог бол эпитаксиал давхарга нь төхөөрөмжийн дэвшилтэт ажиллагааг хангах цахилгаан функцийг тодорхойлдог.

Эрэлт хэрэгцээ өсөхийн хэрээрөндөр хүчин чадал, өндөр давтамж, өндөр үр ашигтайЦахилгаан тээврийн хэрэгслээс эхлээд өгөгдлийн төвүүд хүртэлх системүүд эдгээр хоёр технологи хамтдаа хөгжсөөр байх болно. Ваферын хэмжээ, согогийн хяналт, гетероэпитакси, талстын өсөлтийн шинэчлэлүүд нь хагас дамжуулагч материал болон төхөөрөмжийн архитектурын дараагийн үеийг бүрдүүлэх болно.