1. 기판
1. 정의와 기능
· 물리적지지 : 기판은 반도체 장치의 캐리어이며, 일반적으로 원형 또는 정사각형 단결정 웨이퍼 (예 : 실리콘 웨이퍼)입니다.
· 결정 템플릿 : 에피 택셜 층이 기판 결정 구조 (homoepitaxial) 또는 일치 (이종 에피 택시)와 일치하도록하기 위해 에피 택셜 층 성장을위한 원자 배열을위한 템플릿을 제공합니다.
· 전기 기준 : 기판의 일부는 장치의 전도 (예 : 실리콘 기반 전력 장치)에 직접 참여하거나 회로를 분리하는 절연체 역할을합니다 (예 : 사파이어 기판).
2. 주류 기판 물질의 비교
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재료 |
특징 |
일반적인 응용 프로그램 |
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실리콘 (SI) |
저렴한 비용, 성숙한 기술, 중간 열전도율 |
통합 회로, MOSFET, IGBT |
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사파이어 (Al (o₃) |
단열재, 고온 저항, 큰 격자 불일치 (GAN의 최대 13%) |
GAN 기반 LED, RF 장치 |
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실리콘 카바이드 (sic) |
높은 열전도율, 높은 분해 전계 강도, 고온 저항 |
전기 차량 전원 모듈, 5G 기지국 RF 장치 |
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갈륨 아스 네드 (GAAS) |
우수한 고주파 특성, 직접 밴드 갭 |
RF 칩, 레이저 다이오드, 태양 전지 |
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질화 갈륨 (간) |
높은 전자 이동성, 고전압 저항 |
빠른 충전 어댑터, 밀리미터 웨이브 통신 장치 |
3. 기판 선택에 대한 핵심 고려 사항
· 격자 매칭 : 에피 택셜 층 결함을 줄입니다 (예 : GAN\/SAPPHIRE 격자 불일치는 13%에 도달하여 버퍼 층이 필요합니다).
· 열 팽창 계수 일치 : 온도 변화로 인한 응력 균열을 피하십시오.
· 비용 및 프로세스 호환성 : 예를 들어, 실리콘 기판은 성숙한 공정으로 인해 주류를 지배합니다.
2. 에피 택셜 층
1. 정의와 목적
에피 택셜 성장 : 화학적 또는 물리적 방법에 의한 기질 표면에 단일 결정 박막의 증착, 원자 배열은 기판과 엄격하게 정렬되었다.
핵심 기능 :
- 물질 순도 향상 (기판은 불순물을 함유 할 수 있음).
- 이기종 구조 (예 : Gaas\/algaas Quantum Wells)를 구축하십시오.
- 분리 기판 결함 (예 : SIC 기판의 마이크로 파이프 결함).
2. 에피 택셜 기술의 분류
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기술 |
원칙 |
특징 |
적용 가능한 자료 |
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mocvd |
금속 유기 공급원 + 가스 반응 (예 : GAN을 생성하기위한 TMGA + NH₃) |
화합물 반도체, 대량 생산에 적합합니다 |
간, 가아스, INP |
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MBE |
초고 진공에서 분자 빔 층별 층 증착 |
원자 수준 제어, 느린 성장률, 높은 비용 |
슈퍼 로트리스, 양자점 |
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LPCVD |
저압 하에서 실리콘 소스 가스 (예 : sih₄)의 열 분해 |
주류 실리콘 에피 택시 기술, 균일 성 |
SI, SIGE |
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HVPE |
고온 할라이드 증기 상 에피 택시 |
두꺼운 필름에 적합한 빠른 성장률 (예 : GAN 기판) |
간, Zno |
3. 에피 택셜 층 설계의 주요 매개 변수
- 두께 : 몇 나노 미터 (양자 우물)에서 수십 미크론 (전력 장치의 에피 층)까지.
- 도핑 : 인 (N- 타입) 및 붕소 (P- 타입)와 같은 불순물을 도핑함으로써 캐리어 농도를 정확하게 제어한다.
- 인터페이스 품질 : 버퍼 층 (예 : GAN\/ALN) 또는 변형 된 슈퍼 라트에 의해 격자 불일치를 완화해야합니다.
4. 이종 에피 택셜 성장의 도전과 솔루션
- 격자 불일치 :
- 구배 완충 층 : 기판에서 에피 택셜 층으로 조성물을 점차적으로 변경합니다 (예 : 알간 그라디언트 층).
- 저온 핵 형성 층 : 스트레스를 줄이기 위해 저온에서 얇은 층을 성장시킨다 (예 : 저온 ALN 핵 생성 층과 같은 GAN).
- 열 불일치 : 유사한 열 팽창 계수의 재료 조합을 선택하거나 유연한 인터페이스 설계를 사용하십시오.
3. 기질 및 에피 택시의 상승적 적용 사례
사례 1 : GAN 기반 LED
기판 : 사파이어 (저비용, 단열재).
에피 택셜 구조 :
- 버퍼 층 (ALN 또는 저온 GAN) → 격자 불일치 결함 감소.
- N- 타입 간 층 → 전자를 제공합니다.
- Ingan\/Gan Multi-Quantum 우물 → 조명 방출 층.
- p- 타입 간 층 → 구멍을 제공합니다.
결과 : 결함 밀도는 10 ° cm ²만큼 낮고 빛나는 효율이 크게 향상됩니다.
사례 2 : SIC 파워 MOSFET
기판 : 4H-sic 단일 결정 (최대 10kV의 전압을 견딜 수 있음).
에피 택셜 층 :
- N 형 SIC 드리프트 층 (두께 10-100 μm) → 고전압을 견딜 수 있습니다.
- P 형 SIC베이스 영역 → 제어 채널 형성.
장점 : 실리콘 장치보다 90% 저항성, 5 배 빠른 스위칭 속도.
사례 3 : 실리콘 기반 GAN RF 장치
기판 : 고 저항성 실리콘 (저렴한 비용, 통합하기 쉬운).
에피 택셜 층 :
- ALN 핵 생성 층 →는 SI와 GAN (16%) 사이의 격자 불일치를 완화시킨다.
- GAN 버퍼 층 → 결함을 캡처하여 활성 층으로 확장되는 것을 방지합니다.
- Algan\/Gan HeteroJunction → HEMT (High Electron Mobility Channel)를 형성합니다.
응용 프로그램 : 5G 기지국 전력 증폭기, 주파수는 28GHz 이상입니다.
