ຊັ້ນໃຕ້ດິນຂອງເຊມິຄອນດັກເຕີ ແລະ Epitaxy: ພື້ນຖານດ້ານວິຊາການທີ່ຢູ່ເບື້ອງຫຼັງອຸປະກອນພະລັງງານ ແລະ RF ທີ່ທັນສະໄໝ

ຄວາມກ້າວໜ້າໃນເຕັກໂນໂລຊີເຄິ່ງຕົວນຳໄດ້ຖືກກຳນົດເພີ່ມຂຶ້ນໂດຍຄວາມກ້າວໜ້າໃນສອງຂົງເຂດທີ່ສຳຄັນຄື:ຊັ້ນຮອງພື້ນແລະຊັ້ນ epitaxialສອງອົງປະກອບນີ້ເຮັດວຽກຮ່ວມກັນເພື່ອກຳນົດປະສິດທິພາບທາງໄຟຟ້າ, ຄວາມຮ້ອນ ແລະ ຄວາມໜ້າເຊື່ອຖືຂອງອຸປະກອນທີ່ກ້າວໜ້າທີ່ໃຊ້ໃນພາຫະນະໄຟຟ້າ, ສະຖານີຖານ 5G, ເຄື່ອງໃຊ້ໄຟຟ້າສຳລັບຜູ້ບໍລິໂພກ ແລະ ລະບົບການສື່ສານທາງແສງ.

ໃນຂະນະທີ່ຊັ້ນໃຕ້ດິນໃຫ້ພື້ນຖານທາງກາຍະພາບ ແລະ ເປັນຜລຶກ, ຊັ້ນ epitaxial ປະກອບເປັນແກນກາງທີ່ເຮັດວຽກບ່ອນທີ່ມີການອອກແບບພຶດຕິກຳຄວາມຖີ່ສູງ, ພະລັງງານສູງ, ຫຼື ພຶດຕິກຳ optoelectronic. ຄວາມເຂົ້າກັນໄດ້ຂອງພວກມັນ - ການຈັດລຽງຜລຶກ, ການຂະຫຍາຍຕົວທາງຄວາມຮ້ອນ, ແລະ ຄຸນສົມບັດທາງໄຟຟ້າ - ແມ່ນສິ່ງຈຳເປັນສຳລັບການພັດທະນາອຸປະກອນທີ່ມີປະສິດທິພາບສູງ, ການສະຫຼັບໄວຂຶ້ນ, ແລະ ການປະຫຍັດພະລັງງານຫຼາຍຂຶ້ນ.

ບົດຄວາມນີ້ອະທິບາຍວ່າເຕັກໂນໂລຊີ substrates ແລະ epitaxial ເຮັດວຽກແນວໃດ, ເປັນຫຍັງພວກມັນຈຶ່ງສຳຄັນ, ແລະວິທີທີ່ພວກມັນສ້າງອະນາຄົດຂອງວັດສະດຸ semiconductor ເຊັ່ນ:Si, GaN, GaAs, sapphire, ແລະ SiC.

1. ແມ່ນຫຍັງຊັ້ນໃຕ້ດິນຂອງເຊມິຄອນດັກເຕີ?

ຊັ້ນຮອງພື້ນແມ່ນ "ແພລດຟອມ" ຜລຶກດຽວທີ່ອຸປະກອນຖືກສ້າງຂຶ້ນ. ມັນໃຫ້ການຮອງຮັບໂຄງສ້າງ, ການລະບາຍຄວາມຮ້ອນ, ແລະແມ່ແບບອະຕອມທີ່ຈຳເປັນສຳລັບການເຕີບໂຕຂອງ epitaxial ທີ່ມີຄຸນນະພາບສູງ.

ໜ້າທີ່ຫຼັກຂອງຊັ້ນໃຕ້ດິນ

• ການສະໜັບສະໜູນດ້ານກົນຈັກ:ຮັບປະກັນວ່າອຸປະກອນຍັງຄົງມີຄວາມໝັ້ນຄົງທາງດ້ານໂຄງສ້າງໃນລະຫວ່າງການປະມວນຜົນ ແລະ ການດຳເນີນງານ.

• ແມ່ແບບຄຣິສຕັນ:ນຳພາຊັ້ນ epitaxial ໃຫ້ເຕີບໃຫຍ່ຂຶ້ນດ້ວຍໂຄງສ້າງອະຕອມທີ່ຈັດລຽງກັນ, ຫຼຸດຜ່ອນຂໍ້ບົກຜ່ອງ.

• ພາລະບົດບາດດ້ານໄຟຟ້າ:ອາດຈະນຳໄຟຟ້າໄດ້ (ເຊັ່ນ: Si, SiC) ຫຼື ເປັນວັດສະດຸກັນຄວາມຮ້ອນ (ເຊັ່ນ: sapphire).

ວັດສະດຸພື້ນຖານທົ່ວໄປ

ວິທີການຜະລິດຊັ້ນໃຕ້ດິນ

1. ການເຮັດໃຫ້ບໍລິສຸດຂອງວັດສະດຸ:ຊິລິໂຄນ ຫຼື ສານປະກອບອື່ນໆຖືກກັ່ນໃຫ້ບໍລິສຸດທີ່ສຸດ.

2. ການເຕີບໂຕຂອງຜລຶກດຽວ:

   • ຊອດຣາລສະກີ (CZ)- ວິທີການທົ່ວໄປທີ່ສຸດສຳລັບຊິລິໂຄນ.

   • ເຂດລອຍນ້ຳ (FZ)- ຜະລິດໄປເຊຍກັນທີ່ມີຄວາມບໍລິສຸດສູງສຸດ.

3. ການຊອຍແຜ່ນເວເຟີ ແລະ ການຂັດເງົາ:ລູກບານຖືກຕັດເປັນແຜ່ນບາງໆ ແລະ ຂັດໃຫ້ລຽບນຽນ.

4. ການເຮັດຄວາມສະອາດ ແລະ ການກວດກາ:ການກຳຈັດສິ່ງປົນເປື້ອນ ແລະ ກວດກາຄວາມໜາແໜ້ນຂອງຂໍ້ບົກພ່ອງ.

ສິ່ງທ້າທາຍດ້ານເຕັກນິກ

ວັດສະດຸທີ່ກ້າວໜ້າບາງຢ່າງ—ໂດຍສະເພາະແມ່ນ SiC—ແມ່ນຜະລິດໄດ້ຍາກເນື່ອງຈາກການເຕີບໂຕຂອງຜລຶກທີ່ຊ້າຫຼາຍ (ພຽງແຕ່ 0.3–0.5 ມມ/ຊົ່ວໂມງ), ຄວາມຕ້ອງການຄວບຄຸມອຸນຫະພູມທີ່ເຂັ້ມງວດ, ແລະ ການສູນເສຍການຕັດຂະໜາດໃຫຍ່ (ການສູນເສຍ kerf SiC ສາມາດບັນລຸ >70%). ຄວາມສັບສົນນີ້ແມ່ນເຫດຜົນໜຶ່ງທີ່ເຮັດໃຫ້ວັດສະດຸລຸ້ນທີສາມຍັງຄົງມີລາຄາແພງ.

2. ຊັ້ນ Epitaxial ແມ່ນຫຍັງ?

ການເຕີບໂຕຂອງຊັ້ນ epitaxial ໝາຍເຖິງການວາງຟິມຜລຶກດ່ຽວບາງໆທີ່ມີຄວາມບໍລິສຸດສູງຢູ່ເທິງຊັ້ນໃຕ້ດິນທີ່ມີທິດທາງຂອງຕາຂ່າຍໄຟຟ້າທີ່ຈັດລຽງຢ່າງສົມບູນ.

ຊັ້ນ epitaxial ກຳນົດວ່າພຶດຕິກຳທາງໄຟຟ້າຂອງອຸປະກອນສຸດທ້າຍ.

ເປັນຫຍັງ Epitaxy ຈຶ່ງມີຄວາມສຳຄັນ

• ເພີ່ມຄວາມບໍລິສຸດຂອງຜລຶກ

• ເປີດໃຊ້ໂປຣໄຟລ໌ການໃຊ້ສານກະຕຸ້ນທີ່ກຳນົດເອງ

• ຫຼຸດຜ່ອນການແຜ່ກະຈາຍຂອງຂໍ້ບົກຜ່ອງຂອງຊັ້ນໃຕ້ດິນ

• ສ້າງໂຄງສ້າງ heterostructures ທີ່ຖືກອອກແບບມາເຊັ່ນ: ບໍ່ quantum, HEMTs, ແລະ superlattices

ເຕັກໂນໂລຊີ Epitax ຫຼັກ

ພາລາມິເຕີທີ່ສຳຄັນໃນ Epitaxy

• ຄວາມໜາຂອງຊັ້ນ:ນາໂນແມັດສຳລັບບໍ່ຄວອນຕຳ, ສູງເຖິງ 100 μm ສຳລັບອຸປະກອນພະລັງງານ.

• ການໃຊ້ສານກະຕຸ້ນ:ປັບຄວາມເຂັ້ມຂຸ້ນຂອງຕົວນຳໂດຍຜ່ານການນຳເອົາສິ່ງເຈືອປົນອອກມາຢ່າງແນ່ນອນ.

• ຄຸນນະພາບຂອງອິນເຕີເຟດ:ຕ້ອງຫຼຸດຜ່ອນການເຄື່ອນຍ້າຍ ແລະ ຄວາມກົດດັນຈາກຄວາມບໍ່ກົງກັນຂອງໂຄງສ້າງກະດູກ.

ສິ່ງທ້າທາຍໃນ Heteroepitaxy

• ຄວາມບໍ່ກົງກັນຂອງຕາຂ່າຍໄຟຟ້າ:ຕົວຢ່າງ, GaN ແລະ sapphire ບໍ່ກົງກັນປະມານ 13%.

• ການຂະຫຍາຍຕົວທາງຄວາມຮ້ອນບໍ່ກົງກັນ:ສາມາດເຮັດໃຫ້ເກີດການແຕກໃນລະຫວ່າງການເຮັດໃຫ້ເຢັນ.

• ການຄວບຄຸມຂໍ້ບົກຜ່ອງ:ຕ້ອງການຊັ້ນບັຟເຟີ, ຊັ້ນທີ່ຈັດລະດັບ, ຫຼື ຊັ້ນນິວເຄຼຍເຊຊັນ.

3. ວິທີການເຮັດວຽກຮ່ວມກັນຂອງ Substrate ແລະ Epitaxy: ຕົວຢ່າງໃນໂລກຕົວຈິງ

LED GaN ເທິງ Sapphire

• ເພັດໄພລິນມີລາຄາບໍ່ແພງ ແລະ ເປັນວັດສະດຸກັນຄວາມຮ້ອນ.

• ຊັ້ນບັບເຟີ (AlN ຫຼື GaN ອຸນຫະພູມຕ່ຳ) ຊ່ວຍຫຼຸດຜ່ອນຄວາມບໍ່ກົງກັນຂອງໂຄງສ້າງ.

• ບໍ່ຫຼາຍຄວອນຕຳ (InGaN/GaN) ປະກອບເປັນພາກພື້ນປ່ອຍແສງທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວ.

• ບັນລຸຄວາມໜາແໜ້ນຂອງຂໍ້ບົກພ່ອງຕໍ່າກວ່າ 10⁸ ຊມ⁻² ແລະ ປະສິດທິພາບການສ່ອງແສງສູງ.

MOSFET ພະລັງງານ SiC

• ໃຊ້ຊັ້ນຮອງພື້ນ 4H-SiC ທີ່ມີຄວາມສາມາດໃນການສະຫຼາຍຕົວສູງ.

• ຊັ້ນລອຍຂອງ Epitaxial (10–100 μm) ກຳນົດລະດັບແຮງດັນ.

• ສະເໜີການສູນເສຍການນຳໄຟຟ້າຕໍ່າກວ່າ ~90% ເມື່ອທຽບກັບອຸປະກອນພະລັງງານຊິລິໂຄນ.

ອຸປະກອນ RF GaN-on-Silicon

• ຊັ້ນຮອງພື້ນຊິລິໂຄນຊ່ວຍຫຼຸດຜ່ອນຄ່າໃຊ້ຈ່າຍ ແລະ ອະນຸຍາດໃຫ້ມີການເຊື່ອມໂຍງກັບ CMOS.

• ຊັ້ນນິວເຄຼຍ AlN ແລະບັຟເຟີທີ່ຖືກອອກແບບມາຄວບຄຸມຄວາມເຄັ່ງຕຶງ.

• ໃຊ້ສຳລັບຊິບ 5G PA ທີ່ເຮັດວຽກຢູ່ໃນຄວາມຖີ່ຄື່ນມິນລິແມັດ.

4. ຊັ້ນໃຕ້ດິນ ທຽບກັບ Epitaxy: ຄວາມແຕກຕ່າງຫຼັກ

5. ເທັກໂນໂລຢີເຫຼົ່ານີ້ກຳລັງມຸ່ງໜ້າໄປໃສ

ຂະໜາດເວເຟີໃຫຍ່ກວ່າ

• Si ປ່ຽນເປັນ 12 ນິ້ວ

• SiC ກຳລັງປ່ຽນຈາກ 6 ນິ້ວ ເປັນ 8 ນິ້ວ (ການຫຼຸດຜ່ອນຕົ້ນທຶນຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ)

• ເສັ້ນຜ່າສູນກາງທີ່ໃຫຍ່ກວ່າຊ່ວຍປັບປຸງປະລິມານການຜະລິດ ແລະ ຫຼຸດຜ່ອນຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຂອງອຸປະກອນ

ການຜ່າຕັດແບບ Heteroepitaxy ລາຄາຖືກ

GaN-on-Si ແລະ GaN-on-sapphire ສືບຕໍ່ໄດ້ຮັບຄວາມນິຍົມເປັນທາງເລືອກແທນວັດສະດຸ GaN ພື້ນເມືອງທີ່ມີລາຄາແພງ.

ເຕັກນິກການຕັດ ແລະ ການເຕີບໂຕຂັ້ນສູງ

• ການຊອຍແບບແຍກເຢັນສາມາດຫຼຸດຜ່ອນການສູນເສຍ kerf SiC ຈາກ ~75% ເປັນ ~50%.

• ການອອກແບບເຕົາອົບທີ່ໄດ້ຮັບການປັບປຸງໃຫ້ດີຂຶ້ນເພີ່ມຜົນຜະລິດ ແລະ ຄວາມສະໝໍ່າສະເໝີຂອງ SiC.

ການເຊື່ອມໂຍງຂອງໜ້າທີ່ທາງແສງ, ພະລັງງານ, ແລະ RF

Epitaxy ຊ່ວຍໃຫ້ມີບໍ່ຄວອນຕຳ, ຊັ້ນ superlattices, ແລະຊັ້ນທີ່ມີຄວາມເຄັ່ງຕຶງ ເຊິ່ງຈຳເປັນສຳລັບໂຟໂຕນິກປະສົມປະສານໃນອະນາຄົດ ແລະ ເຄື່ອງເອເລັກໂຕຣນິກພະລັງງານທີ່ມີປະສິດທິພາບສູງ.

ສະຫຼຸບ

ຊັ້ນໃຕ້ດິນ ແລະ ຊັ້ນອີພິແທັກຊີ ປະກອບເປັນກະດູກສັນຫຼັງດ້ານເຕັກໂນໂລຢີຂອງເຄິ່ງຕົວນຳທີ່ທັນສະໄໝ. ຊັ້ນໃຕ້ດິນກຳນົດພື້ນຖານທາງກາຍະພາບ, ຄວາມຮ້ອນ, ແລະ ພື້ນຖານຜລຶກ, ໃນຂະນະທີ່ຊັ້ນອີພິແທັກຊີ ກຳນົດໜ້າທີ່ທາງໄຟຟ້າທີ່ເຮັດໃຫ້ອຸປະກອນມີປະສິດທິພາບຂັ້ນສູງ.

ຍ້ອນວ່າຄວາມຕ້ອງການເພີ່ມຂຶ້ນພະລັງງານສູງ, ຄວາມຖີ່ສູງ, ແລະ ປະສິດທິພາບສູງລະບົບຕ່າງໆ - ຕັ້ງແຕ່ຍານພາຫະນະໄຟຟ້າຈົນເຖິງສູນຂໍ້ມູນ - ເຕັກໂນໂລຢີທັງສອງນີ້ຈະສືບຕໍ່ພັດທະນາໄປນຳກັນ. ນະວັດຕະກໍາໃນຂະໜາດຂອງແຜ່ນເວເຟີ, ການຄວບຄຸມຂໍ້ບົກພ່ອງ, ການປ່ຽນແປງຂອງຄວາມແຕກຕ່າງ, ແລະ ການເຕີບໂຕຂອງຜລຶກຈະເປັນຮູບແບບວັດສະດຸເຄິ່ງຕົວນຳ ແລະ ສະຖາປັດຕະຍະກໍາອຸປະກອນລຸ້ນຕໍ່ໄປ.