1. الركيزة
1. التعريف والوظيفة
· الدعم المادي: الركيزة هي حامل جهاز أشباه الموصلات ، وعادة ما يكون رقاقة دائرية أو مربعة واحدة من الكريستال (مثل رقاقة السيليكون).
· قالب الكريستال: يوفر قالبًا للترتيب الذري لنمو الطبقة الفوقية لضمان أن الطبقة الفوقية تتفق مع التركيبة البلورية (المثلي الجنسي) أو التطابقات (غير متجانسة).
· الأساس الكهربائي: يشارك جزء من الركيزة مباشرة في توصيل الجهاز (مثل أجهزة الطاقة القائمة على السيليكون) ، أو يعمل كعازل لعزل الدائرة (مثل الركيزة الياقوت).
2. مقارنة بين مواد الركيزة السائدة
|
مواد |
سمات |
التطبيقات النموذجية |
|
السيليكون (SI) |
التكلفة المنخفضة ، التكنولوجيا الناضجة ، الموصلية الحرارية المتوسطة |
دوائر متكاملة ، MOSFET ، IGBT |
|
الياقوت (al₂o₃) |
العزل ، مقاومة ارتفاع درجة الحرارة ، عدم تطابق شعرية كبيرة (تصل إلى 13 ٪ مع GAN) |
LEDs المستندة إلى GAN ، أجهزة RF |
|
كربيد السيليكون (كذا) |
الموصلية الحرارية العالية ، قوة حقل انهيار عالية ، مقاومة عالية درجة الحرارة |
وحدات طاقة السيارة الكهربائية ، وأجهزة محطة RF الأساسية 5G |
|
أرسينيد غاليوم (GAAS) |
خصائص ممتازة عالية التردد ، فجوة النطاق المباشر |
رقائق RF ، ثنائيات الليزر ، الخلايا الشمسية |
|
نيتريد غاليوم (GAN) |
تنقل الإلكترون العالي ، ومقاومة الجهد العالي |
محول الشحن السريع ، أجهزة الاتصالات موجة ملليمتر |
3. الاعتبارات الأساسية لاختيار الركيزة
· مطابقة الشبكة: تقليل عيوب الطبقة الفوقية (مثل عدم تطابق شعرية GAN\/الياقوت يصل إلى 13 ٪ ، مما يتطلب طبقة عازلة).
· مطابقة معامل التمدد الحراري: تجنب تكسير الإجهاد الناجم عن التغيرات في درجة الحرارة.
· توافق التكلفة والعملية: على سبيل المثال ، تهيمن ركائز السيليكون على التيار الرئيسي بسبب العمليات الناضجة.
2. الطبقة الفوقية
1. التعريف والغرض
النمو الفوقي: ترسب فيلم رفيع من الكريستال المفرد على سطح الركيزة عن طريق الأساليب الكيميائية أو الفيزيائية ، مع الترتيب الذري محاذاة بصرامة مع الركيزة.
الوظائف الأساسية:
- تحسين نقاء المواد (قد تحتوي الركيزة على شوائب).
- بناء هياكل غير متجانسة (مثل آبار GaAs\/Algaas Quantum).
- عزل عيوب الركيزة (مثل عيوب micropipe على ركائز SIC).
2. تصنيف التكنولوجيا الفوقية
|
تكنولوجيا |
مبدأ |
سمات |
المواد المعمول بها |
|
MOCVD |
رد الفعل العضوي المعدني + تفاعل الغاز (مثل TMGA + NH₃ لتوليد GAN) |
مناسبة لأشباه الموصلات المركبة ، الإنتاج الضخم |
غان ، غا ، inp |
|
mbe |
ترسيب طبقة الحزمة الجزيئية تحت طبقة تحت الفراغ الفائقة |
السيطرة على المستوى الذري ، ومعدل النمو البطيء ، وارتفاع التكلفة |
superlattice ، النقاط الكم |
|
LPCVD |
التحلل الحراري لغاز مصدر السيليكون (مثل SIH₄) تحت ضغط منخفض |
تكنولوجيا سليكون سليكون السائدة ، توحيد جيد |
SI ، سيج |
|
HVPE |
ارتفاع درجة حرارة هاليد بخار المرحلة epitaxy |
معدل نمو سريع ، مناسب للأفلام السميكة (مثل ركائز GAN) |
غان ، زنو |
3. المعلمات الرئيسية لتصميم الطبقة الفوقية
- السماكة: من عدد قليل من المقاييس النانوية (بئر الكم) إلى عشرات الميكرون (Epilayer من أجهزة الطاقة).
- المنشطات: تحكم بدقة في تركيز الناقل عن طريق شوائب المنشطات مثل الفوسفور (N-type) والبورون (P-type).
- جودة الواجهة: يجب تخفيف عدم تطابق شعرية بواسطة طبقة عازلة (مثل GAN\/ALN) أو superlattice المتوترة.
4. تحديات وحلول النمو غير المتجانس
- عدم تطابق شعرية:
- طبقة العازلة التدرج: قم بتغيير التكوين تدريجياً من الركيزة إلى الطبقة الفوقية (مثل طبقة التدرج Algan).
- طبقة النواة منخفضة درجة الحرارة: تنمو طبقات رقيقة في درجة حرارة منخفضة لتقليل الإجهاد (مثل طبقة نوى ALN منخفضة درجة الحرارة من GAN).
- عدم التطابق الحراري: حدد مجموعة من المواد ذات معاملات التمدد الحراري المماثل ، أو استخدم تصميم واجهة مرنة.
3. حالات التطبيق التآزرية للركيزة والخيال
الحالة 1: LED مقرها GAN
الركيزة: الياقوت (التكلفة المنخفضة ، العزل).
الهيكل الفوقي:
- طبقة عازلة (ALN أو GAN درجة الحرارة المنخفضة) → تقليل عيوب عدم التوافق في الشبكة.
- N-type Gan Layer → توفير الإلكترونات.
- إنغان\/غان بئر بئر Quantum → طبقة الباعثة للضوء.
- p-type gan layer → توفير الثقوب.
النتيجة: كثافة العيوب منخفضة تصل إلى 10 سم ² ، وتحسن كفاءة مضيئة بشكل كبير.
الحالة 2: SIC Power Mosfet
الركيزة: 4H-SIC بلورة واحدة (تحمل الجهد حتى 10 كيلو فولت).
الطبقة الفوقية:
- طبقة Drift Sic من النوع N (سمك 10-100 μM) → تحمل الجهد العالي.
- P-Type SIC Base Region → تكوين قناة التحكم.
المزايا: أقل بنسبة 90 ٪ من المقاومة من أجهزة السيليكون ، 5 مرات سرعة التبديل.
الحالة 3: أجهزة GAN RF المستندة إلى السيليكون
الركيزة: السيليكون عالي المقاومة (التكلفة المنخفضة ، سهلة الاندماج).
الطبقة الفوقية:
- طبقة ALN Nucleation → تخفف من عدم تطابق الشبكة بين SI و GAN (16 ٪).
- طبقة GAN العازلة → تلتقط العيوب ويمنعها من التمديد إلى الطبقة النشطة.
- algan\/gan heterojunction → يشكل قناة تنقل الإلكترون عالية (HEMT).
التطبيق: مضخم طاقة محطة 5G ، مع تواتر أكثر من 28 جيجا هرتز.
