Semiconductor Substrates thiab Epitaxy: Lub Hauv Paus Kev Txawj Ntse Tom Qab Lub Hwj Chim Niaj Hnub thiab RF Devices

Kev nce qib hauv kev siv tshuab semiconductor tau txhais ntau ntxiv los ntawm kev tshawb pom tshiab hauv ob qho tseem ceeb:cov khoom siv hauv avthiabcov khaubncaws sab nraud povtseg epitaxialOb lub Cheebtsam no ua haujlwm ua ke los txiav txim siab txog kev ua haujlwm hluav taws xob, cua sov, thiab kev ntseeg siab ntawm cov khoom siv siab heev uas siv hauv cov tsheb fais fab, 5G chaw nres tsheb, cov khoom siv hluav taws xob rau cov neeg siv khoom, thiab cov kab ke sib txuas lus optical.

Thaum lub substrate muab lub cev thiab crystalline lub hauv paus, cov txheej epitaxial tsim cov hauv paus ua haujlwm uas muaj zaus siab, muaj zog siab, lossis optoelectronic tus cwj pwm tau tsim. Lawv qhov sib xws - crystal alignment, thermal expansion, thiab hluav taws xob - yog qhov tseem ceeb rau kev tsim cov khoom siv nrog kev ua haujlwm zoo dua, kev hloov pauv sai dua, thiab kev txuag hluav taws xob ntau dua.

Tsab xov xwm no piav qhia txog seb cov substrates thiab epitaxial technologies ua haujlwm li cas, vim li cas lawv thiaj tseem ceeb, thiab lawv yuav ua li cas rau yav tom ntej ntawm cov ntaub ntawv semiconductor xws liSi, GaN, GaAs, sapphire, thiab SiC.

1. Dab tsi yog ib qhoCov khoom siv semiconductor?

Ib lub substrate yog lub "platform" uas siv lead ua ib lub crystal uas ib lub cuab yeej siv los tsim. Nws muab kev txhawb nqa rau cov qauv, kev tso cua sov tawm, thiab lub atomic template uas tsim nyog rau kev loj hlob zoo ntawm epitaxial.

Cov Haujlwm Tseem Ceeb ntawm Cov Khoom Siv

• Kev txhawb nqa txhua yam:Xyuas kom lub cuab yeej tseem ruaj khov thaum lub sijhawm ua haujlwm thiab ua haujlwm.

• Crystal template:Qhia cov txheej epitaxial kom loj hlob nrog cov atomic lattices sib phim, txo cov qhov tsis zoo.

• Lub luag haujlwm hluav taws xob:Tej zaum yuav coj hluav taws xob (piv txwv li, Si, SiC) lossis ua haujlwm ua ib qho insulator (piv txwv li, sapphire).

Cov Khoom Siv Substrate Feem Ntau

Yuav Ua Li Cas Cov Substrates Tau Tsim

1. Kev ntxuav cov khoom siv:Silicon lossis lwm yam khoom sib xyaw ua ke raug ua kom huv si.

2. Kev loj hlob ntawm ib lub pob zeb siv lead ua ke:

   • Czochralski (CZ)- txoj kev siv ntau tshaj plaws rau silicon.

   • Thaj Chaw Ntws (FZ)- tsim cov siv lead ua ntshiab heev.

3. Wafer slicing thiab polishing:Cov boules raug txiav ua wafers thiab polished kom atomic smoothness.

4. Kev ntxuav thiab kev tshuaj xyuas:Tshem tawm cov khoom tsis huv thiab tshawb xyuas qhov ntom ntawm qhov tsis zoo.

Cov Kev Sib Tw Txuj Ci

Qee cov ntaub ntawv siab heev—tshwj xeeb yog SiC—nyuaj rau kev tsim vim yog cov siv lead ua loj hlob qeeb heev (tsuas yog 0.3–0.5 hli/teev), cov kev cai tswj kub nruj, thiab kev poob loj heev (SiC kerf poob tuaj yeem ncav cuag >70%). Qhov kev nyuaj no yog ib qho laj thawj uas cov ntaub ntawv tiam thib peb tseem kim heev.

2. Txheej Epitaxial Yog Dab Tsi?

Kev loj hlob ntawm ib txheej epitaxial txhais tau tias tso ib zaj duab xis nyias, huv si, ib leeg siv lead ua ke rau ntawm lub substrate nrog kev taw qhia lattice zoo meej.

Cov txheej epitaxial txiav txim siab qhovkev coj cwj pwm hluav taws xobntawm qhov kawg ntaus ntawv.

Vim li cas Epitaxy thiaj tseem ceeb

• Ua kom cov siv lead ua kom huv dua

• Ua kom muaj cov profile doping uas hloov kho tau raws li koj xav tau

• Txo qhov kev nthuav dav ntawm cov substrate defect

• Cov qauv tsim kho heterostructures xws li quantum wells, HEMTs, thiab superlattices

Cov Txuj Ci Epitax Tseem Ceeb

Cov Kev Ntsuas Tseem Ceeb hauv Epitaxy

• Txheej tuab:Nanometers rau cov qhov dej quantum, txog li 100 μm rau cov khoom siv fais fab.

• Kev siv tshuaj doping:Kho qhov concentration ntawm cov cab kuj los ntawm kev qhia meej txog cov khoom tsis huv.

• Qhov zoo ntawm qhov sib txuas:Yuav tsum txo qhov dislocations thiab kev ntxhov siab los ntawm lattice mismatch.

Cov teeb meem hauv Heteroepitaxy

• Kev tsis sib haum ntawm lub lattice:Piv txwv li, GaN thiab sapphire tsis sib xws los ntawm ~ 13%.

• Kev nthuav dav thermal tsis sib xws:Yuav ua rau tawg thaum lub sijhawm txias.

• Kev tswj qhov tsis zoo:Yuav tsum muaj cov txheej buffer, cov txheej graded, lossis cov txheej nucleation.

3. Yuav Ua Li Cas Substrate thiab Epitaxy Ua Haujlwm Ua Ke: Piv Txwv Hauv Lub Ntiaj Teb Tiag

GaN LED ntawm Sapphire

• Sapphire pheej yig thiab rwb thaiv tsev.

• Cov txheej txheem buffer (AlN lossis GaN kub qis) txo cov lattice mismatch.

• Cov qhov dej ntau-quantum (InGaN/GaN) tsim thaj chaw ua haujlwm ci ntsa iab.

• Ua tiav qhov tsis zoo uas muaj qhov ntom tsawg dua 10⁸ cm⁻² thiab ua haujlwm tau zoo heev.

SiC Fais Fab MOSFET

• Siv cov khoom siv 4H-SiC uas muaj peev xwm tawg tau zoo.

• Cov khaubncaws sab nraud povtseg Epitaxial (10–100 μm) txiav txim siab qhov ntsuas hluav taws xob.

• Muab ~ 90% qis dua qhov kev poob hluav taws xob dua li cov khoom siv fais fab silicon.

Cov Khoom Siv GaN-on-Silicon RF

• Cov khoom siv silicon txo cov nqi thiab tso cai rau kev koom ua ke nrog CMOS.

• Cov txheej txheem AlN nucleation thiab cov buffers tsim los tswj kev ntxhov siab.

• Siv rau 5G PA chips ua haujlwm ntawm millimeter-wave frequencies.

4. Substrate vs. Epitaxy: Qhov Sib Txawv Tseem Ceeb

5. Cov Thev Naus Laus Zis no Yuav Mus Rau Qhov Twg

Cov Wafer Loj Dua

• Si hloov mus rau 12-nti

• SiC txav ntawm 6-nti mus rau 8-nti (txo tus nqi loj)

• Txoj kab uas hla loj dua ua rau kev xa khoom sai dua thiab txo cov nqi khoom siv

Heteroepitaxy pheej yig

GaN-on-Si thiab GaN-on-sapphire txuas ntxiv mus nrhiav kev siv zog ua lwm txoj hauv kev rau cov khoom kim heev GaN.

Cov Txuj Ci Txiav thiab Kev Loj Hlob Siab Tshaj Plaws

• Kev txiav txias tuaj yeem txo SiC kerf poob ntawm ~ 75% txog ~ 50%.

• Cov qauv tsim cua sov zoo dua ua rau SiC ntau ntxiv thiab sib xws.

Kev koom ua ke ntawm Optical, Power, thiab RF Functions

Epitaxy ua rau muaj cov qhov dej quantum, superlattices, thiab cov khaubncaws sab nraud povtseg uas tseem ceeb rau yav tom ntej kev sib xyaw ua ke photonics thiab cov khoom siv hluav taws xob ua haujlwm siab.

Xaus lus

Cov substrates thiab epitaxy tsim cov thev naus laus zis tseem ceeb ntawm cov semiconductors niaj hnub no. Lub substrate teeb tsa lub hauv paus lub cev, thermal, thiab crystalline, thaum cov txheej epitaxial txhais cov haujlwm hluav taws xob uas ua rau cov khoom siv ua haujlwm tau zoo.

Raws li qhov kev thov loj hlob tuajlub zog siab, zaus siab, thiab ua haujlwm tau zoocov kab ke—txij li cov tsheb fais fab mus rau cov chaw khaws ntaub ntawv—ob lub thev naus laus zis no yuav txuas ntxiv mus ua ke. Kev tsim kho tshiab hauv qhov loj me ntawm wafer, kev tswj qhov tsis zoo, heteroepitaxy, thiab kev loj hlob ntawm crystal yuav tsim cov khoom siv semiconductor thiab cov qauv khoom siv tom ntej.