الركيزة هي الأساس المادي للجهاز ويحدد جدوى وتكلفة النمو الفوقي .
الطبقة الفوقية هي النواة الوظيفية ، ويتم تحسين الأداء الكهربائي والبصري من خلال التصميم الهيكلي ودقة المنشطات .
إن مطابقة الاثنين (الشبكة ، الحرارة ، الكهرباء) هي مفتاح الأجهزة عالية الأداء ، مما يؤدي إلى تقنية أشباه الموصلات إلى التردد الأعلى ، والطاقة العليا ، وخفض استهلاك الطاقة .
1. الركيزة
التعريف والوظيفة
الدعم الفيزيائي: الركيزة هي حامل جهاز أشباه الموصلات ، وعادة ما تكون ورقة رقيقة واحدة مستديرة أو مربعة (مثل الويفر السيليكون) .
قالب الكريستال: يوفر قالبًا للترتيب الذري لنمو الطبقة الفوقية لضمان أن تكون الطبقة الفوقية متسقة مع التركيبة البلورية (epitaxy متجانسة) أو تطابقات (epitaxy غير المتجانسة) .
الأساس الكهربائي: تشارك بعض الركائز مباشرة في توصيل الجهاز (مثل أجهزة الطاقة المستندة إلى السيليكون) أو بمثابة عازل لعزل الدوائر (مثل ركائز الياقوت) .
2. مقارنة بين مواد الركيزة السائدة
| مادة | ملكيات | التطبيقات النموذجية |
| السيليكون (SI) | التكلفة المنخفضة ، التكنولوجيا الناضجة ، الموصلية الحرارية المتوسطة | دائرة متكاملة ، MOSFET ، IGBT |
| الياقوت (al₂o₃) | العزل ، مقاومة ارتفاع درجة الحرارة ، عدم تطابق شعرية كبيرة (تصل إلى 13 ٪ مع GAN) | LEDs المستندة إلى GAN وأجهزة 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 النطاقات المباشرة | رقائق RF ، ثنائيات الليزر ، الخلايا الشمسية |
| نيتريد غاليوم (GAN) | تنقل الإلكترون العالي ، ومقاومة الجهد العالي | محول الشحن السريع ، جهاز اتصال الموجة ملليمتر |
3. اعتبارات أساسية لاختيار الركيزة
مطابقة شعرية: تقليل عيوب الطبقة الفوقية (مثل عدم تطابق شعرية GAN/SAPPHIRE بنسبة 13 ٪ ، تتطلب طبقة مخزن مؤقت) .
مطابقة معامل التمدد الحراري: تجنب تكسير الإجهاد الناجم عن التغيرات في درجة الحرارة .
التكلفة والعملية التوافق: على سبيل المثال ، تهيمن ركائز السيليكون على التيار الرئيسي بسبب العمليات الناضجة .

2. الطبقة الفوقية
1. التعريف والغرض
النمو الفوقي: إيداع أفلام رقيقة بلورية واحدة على سطح الركيزة بالطرق الكيميائية أو الفيزيائية ، ويتم محاذاة الترتيب الذري بشكل صارم مع الركيزة .
الدور الأساسي:
تحسين نقاء المواد (قد تحتوي الركيزة على شوائب) .
بناء الهياكل غير المتجانسة (مثل GaAs/Algaas Quantum Wells) .
عزل عيوب الركيزة (مثل عيوب micropipe في ركائز SIC) .
2. تصنيف التكنولوجيا الفوقية

3. معلمات المفاتيح لتصميم الطبقة الفوقية
السماكة: من عدد قليل من أجهزة القياس النانوية (الآبار الكمومية) إلى عشرات الميكرون (طبقة طبية للطبقة الفوقية) .
المنشطات: بالتحكم بدقة في تركيز الناقل عن طريق شوائب المنشطات مثل الفوسفور (n-type) و boron (p-type) .
جودة الواجهة: لا يلزم تخفيف عدم تطابق شعرية عن طريق الطبقات العازلة (مثل GAN/ALN) أو superlattices المتوترة .
4. تحديات وحلول النمو غير المتغاير الشبكة غير متطابق:
الطبقة العازلة التدريجية: قم بتغيير التكوين تدريجياً من الركيزة إلى الطبقة الفوقية (مثل طبقة التدرج Algan) .
طبقة النواة منخفضة 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 تمدد حرارية مماثلة ، أو استخدم تصميم واجهة مرنة .

3. حالات تطبيق تعاونية للركيزة والطبع
الحالة 1: الركيزة LED المستندة إلى GAN: الياقوت (التكلفة المنخفضة ، العزل) .
الهيكل الفوقي:
طبقة عازلة (ALN أو GAN منخفضة الحرارة) → تقليل عيوب عدم التوافق في شعرية .
n-type gan layer → توفير الإلكترونات .
إنغان/غان آبار الكم المتعددة → طبقة الباعثة للضوء .
p-type gan layer → توفير الثقوب .
النتيجة: كثافة العيوب منخفضة تصل إلى 10 درجة حرارة مربع ، ويتم تحسين الكفاءة المضيئة بشكل كبير .

الحالة 2: SIC Power Mosfet
الركيزة: 4H-SIC Crystal (تحمل الجهد حتى 10 كيلو فولت) .
الطبقة الفوقية:
طبقة Drift Sic من النوع N (سماكة 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: الركيزة GAN RF المستندة إلى السيليكون: السيليكون عالي المقاومة (التكلفة المنخفضة ، التكامل السهل) .

Epilayer: ALN Nucleation Layer → تخفيف عدم التوافق بين الشبكة بين Si و Gan (16 ٪) .
GAN Buffer Layer → التقاط العيوب ومنعها من التمدد إلى الطبقة النشطة .
algan/gan heterojunction → تشكيل قناة تنقل الإلكترون عالية (HEMT) .
التطبيق: مضخم طاقة المحطة الأساسي 5G ، يمكن أن يصل التردد إلى أكثر من 28 جيجاهرتز .










