Կիսահաղորդչային հիմքեր և էպիտաքսիա. ժամանակակից էներգետիկ և ռադիոհաճախականության սարքերի տեխնիկական հիմքերը

Կիսահաղորդչային տեխնոլոգիայի առաջընթացը գնալով ավելի ու ավելի է սահմանվում երկու կարևորագույն ոլորտներում առաջընթացներով՝հիմքերևէպիտաքսիալ շերտերԱյս երկու բաղադրիչները միասին աշխատում են էլեկտրական տրանսպորտային միջոցներում, 5G բազային կայաններում, սպառողական էլեկտրոնիկայում և օպտիկական կապի համակարգերում օգտագործվող առաջադեմ սարքերի էլեկտրական, ջերմային և հուսալիության կատարողականությունը որոշելու համար։

Մինչդեռ հիմքը ապահովում է ֆիզիկական և բյուրեղային հիմքը, էպիտաքսիալ շերտը կազմում է ֆունկցիոնալ միջուկը, որտեղ մշակվում է բարձր հաճախականության, բարձր հզորության կամ օպտոէլեկտրոնային վարքագիծը: Դրանց համատեղելիությունը՝ բյուրեղների դասավորվածությունը, ջերմային ընդարձակումը և էլեկտրական հատկությունները, կարևոր են ավելի բարձր արդյունավետությամբ, ավելի արագ անջատմամբ և ավելի մեծ էներգախնայողությամբ սարքեր մշակելու համար:

Այս հոդվածը բացատրում է, թե ինչպես են աշխատում հիմքերը և էպիտաքսիալ տեխնոլոգիաները, ինչու են դրանք կարևոր և ինչպես են դրանք ձևավորում կիսահաղորդչային նյութերի ապագան, ինչպիսիք են՝Si, GaN, GaAs, շափյուղա և SiC.

1. Ի՞նչ էԿիսահաղորդչային հիմք?

Հիմքը միաբյուրեղային «հարթակն» է, որի վրա կառուցված է սարքը։ Այն ապահովում է կառուցվածքային հենարան, ջերմության ցրում և բարձրորակ էպիտաքսիալ աճի համար անհրաժեշտ ատոմային ձևանմուշ։

Հիմքի հիմնական գործառույթները

• Մեխանիկական աջակցություն.Ապահովում է սարքի կառուցվածքային կայունությունը մշակման և շահագործման ընթացքում։

• Բյուրեղյա ձևանմուշ՝Ուղղորդում է էպիտաքսիալ շերտը դեպի համընկնող ատոմային ցանցերի հետ աճը՝ նվազեցնելով արատները։

• Էլեկտրական դերը.Կարող է անցկացնել էլեկտրական հոսանք (օրինակ՝ Si, SiC) կամ ծառայել որպես մեկուսիչ (օրինակ՝ շափյուղա):

Տարածված ենթաշերտային նյութեր

Ինչպես են արտադրվում ենթաշերտերը

1. Նյութի մաքրում.Սիլիցիումը կամ այլ միացությունները զտվում են մինչև ծայրահեղ մաքրություն։

2. Միաբյուրեղային աճեցում.

   • Չոչրալսկի (Չեխիա)– սիլիցիումի ամենատարածված մեթոդը։

   • Լողացող գոտի (FZ)– արտադրում է գերբարձր մաքրության բյուրեղներ։

3. Վաֆլիի կտրում և փայլեցում՝Բուլերը կտրատվում են վաֆլիների և հղկվում մինչև ատոմային հարթություն ստանալը։

4. Մաքրում և ստուգում.Աղտոտիչների հեռացում և արատի խտության ստուգում։

Տեխնիկական մարտահրավերներ

Որոշ առաջադեմ նյութեր, մասնավորապես SiC-ը, դժվար է արտադրել չափազանց դանդաղ բյուրեղների աճի (ընդամենը 0.3–0.5 մմ/ժամ), ջերմաստիճանի խիստ կարգավորման պահանջների և կտրատման մեծ կորուստների պատճառով (SiC կտրվածքի կորուստը կարող է հասնել >70%-ի): Այս բարդությունը երրորդ սերնդի նյութերի թանկ լինելու պատճառներից մեկն է:

2. Ի՞նչ է էպիտաքսիալ շերտը։

Էպիտաքսիալ շերտի աճեցումը նշանակում է հիմքի վրա բարակ, բարձր մաքրության, միաբյուրեղային թաղանթ նստեցնել՝ կատարելապես համընկնող ցանցային կողմնորոշմամբ։

Էպիտաքսիալ շերտը որոշում էէլեկտրական վարքագիծվերջնական սարքի։

Ինչու է էպիտաքսիան կարևոր

• Բարձրացնում է բյուրեղային մաքրությունը

• Հնարավորություն է տալիս անհատականացված դոպինգի պրոֆիլներ ստեղծել

• Նվազեցնում է հիմքի արատների տարածումը

• Ձևավորում է նախագծված հետերոկառուցվածքներ, ինչպիսիք են քվանտային հորերը, HEMT-ները և գերցանցերը

Հիմնական էպիտաքսիական տեխնոլոգիաներ

Էպիտաքսիայի կարևորագույն պարամետրերը

• Շերտի հաստությունը՝Նանոմետրեր քվանտային հորերի համար, մինչև 100 մկմ՝ էներգամատակարարման սարքերի համար։

• Դոպինգ.Կարգավորում է կրիչի կոնցենտրացիան՝ խառնուրդների ճշգրիտ ներմուծման միջոցով։

• Ինտերֆեյսի որակը.Պետք է նվազագույնի հասցնի ցանցի անհամապատասխանությունից առաջացող տեղաշարժերն ու լարումները։

Հետերոէպիտաքսիայի մարտահրավերները

• Ցանցի անհամապատասխանություն.Օրինակ՝ GaN-ի և շափյուղայի անհամապատասխանությունը մոտ 13%-ով։

• Ջերմային ընդարձակման անհամապատասխանություն.Սառեցման ընթացքում կարող է ճաքեր առաջացնել։

• Թերությունների վերահսկում.Պահանջվում են բուֆերային շերտեր, աստիճանավորված շերտեր կամ միջուկագոյացման շերտեր։

3. Ինչպես են սուբստրատը և էպիտաքսիան համատեղ աշխատում. իրական աշխարհի օրինակներ

GaN LED-ը շափյուղայի վրա

• Սապֆիրը էժան է և ջերմամեկուսիչ։

• Բուֆերային շերտերը (AlN կամ ցածր ջերմաստիճանի GaN) նվազեցնում են ցանցի անհամապատասխանությունը։

• Բազմաքվանտային հորատանցքերը (InGaN/GaN) կազմում են ակտիվ լույս արձակող շրջանը։

• Ապահովում է 10⁸ սմ⁻²-ից ցածր թերությունների խտություն և բարձր լուսային արդյունավետություն։

SiC հզորության MOSFET

• Օգտագործում է 4H-SiC հիմքեր՝ բարձր քայքայման ունակությամբ։

• Էպիտաքսիալ դրեյֆ շերտերը (10–100 մկմ) որոշում են լարման գնահատականը։

• Առաջարկում է մոտ 90%-ով ցածր հաղորդունակության կորուստներ, քան սիլիկոնային էլեկտրական սարքերը։

GaN-on-Silicon RF սարքեր

• Սիլիկոնային հիմքերը նվազեցնում են արժեքը և թույլ են տալիս ինտեգրվել CMOS-ի հետ։

• AlN միջուկագոյացման շերտերը և նախագծված բուֆերները կարգավորում են լարվածությունը։

• Օգտագործվում է միլիմետրային ալիքային հաճախականություններով աշխատող 5G PA չիպերի համար։

4. Սուբստրատն ընդդեմ էպիտաքսիայի. Հիմնական տարբերությունները

5. Ուր են գնում այս տեխնոլոգիաները

Ավելի մեծ վաֆլի չափսեր

• Si-ն անցնում է 12 դյույմի

• SiC-ը 6 դյույմից անցնում է 8 դյույմի (արժեքի զգալի կրճատում)

• Ավելի մեծ տրամագիծը բարելավում է թողունակությունը և նվազեցնում սարքի արժեքը

Ցածրարժեք հետերոէպիտաքսիա

GaN-ը Si-ի վրա և GaN-ը շափյուղայի վրա շարունակում են ժողովրդականություն վայելող լինել որպես թանկարժեք բնիկ GaN ենթաշերտերի այլընտրանք։

Առաջադեմ կտրման և աճի տեխնիկաներ

• Սառը կտրատումը կարող է նվազեցնել SiC կտրվածքի կորուստը մոտ 75%-ից մինչև մոտ 50%:

• Վառարանների բարելավված դիզայնը մեծացնում է SiC արտադրողականությունը և միատարրությունը։

Օպտիկական, հզորության և ռադիոհաճախականության ֆունկցիաների ինտեգրում

Էպիտաքսիան հնարավորություն է տալիս ստեղծել քվանտային հորեր, գերցանցեր և լարված շերտեր, որոնք անհրաժեշտ են ապագա ինտեգրված ֆոտոնիկայի և բարձր արդյունավետության ուժային էլեկտրոնիկայի համար։

Եզրակացություն

Հիմքերը և էպիտաքսիան կազմում են ժամանակակից կիսահաղորդիչների տեխնոլոգիական հիմքը: Հիմքը սահմանում է ֆիզիկական, ջերմային և բյուրեղային հիմքը, մինչդեռ էպիտաքսիալ շերտը սահմանում է էլեկտրական ֆունկցիոնալությունները, որոնք հնարավորություն են տալիս ապահովել սարքերի առաջադեմ աշխատանք:

Քանի որ պահանջարկը մեծանում էբարձր հզորություն, բարձր հաճախականություն և բարձր արդյունավետությունհամակարգեր՝ էլեկտրական մեքենաներից մինչև տվյալների կենտրոններ՝ այս երկու տեխնոլոգիաները կշարունակեն զարգանալ միասին: Վաֆլի չափի, արատների վերահսկման, հետերոէպիտաքսիայի և բյուրեղների աճի նորարարությունները կձևավորեն կիսահաղորդչային նյութերի և սարքերի ճարտարապետության հաջորդ սերունդը: