ሴሚኮንዳክተር ንኡስቤቶች እና ኤፒታክሲ፡- ከዘመናዊ የኃይል እና የRF መሳሪያዎች በስተጀርባ ያሉት የቴክኒክ መሠረቶች

በሴሚኮንዳክተር ቴክኖሎጂ ውስጥ ያሉ እድገቶች በሁለት ወሳኝ ዘርፎች በተደረጉ ግኝቶች እየታዩ ነው፡ንጣፎችእናኤፒታክሲያል ንብርብሮችእነዚህ ሁለት ክፍሎች በኤሌክትሪክ ተሽከርካሪዎች፣ በ5ጂ ቤዝ ጣቢያዎች፣ በሸማቾች ኤሌክትሮኒክስ እና በኦፕቲካል ኮሙኒኬሽን ሲስተሞች ውስጥ ጥቅም ላይ የሚውሉ የላቁ መሳሪያዎችን የኤሌክትሪክ፣ የሙቀት እና የአስተማማኝነት አፈጻጸም ለመወሰን አብረው ይሰራሉ።

ንጣፉ አካላዊ እና ክሪስታላይን መሰረትን የሚሰጥ ቢሆንም፣ ኤፒታክሲያል ንብርብር ከፍተኛ ድግግሞሽ፣ ከፍተኛ ኃይል ወይም የኦፕቶኤሌክትሮኒክ ባህሪ የተነደፈበትን ተግባራዊ ኮር ይመሰርታል። የእነሱ ተኳሃኝነት - ክሪስታል አሰላለፍ፣ የሙቀት መስፋፋት እና የኤሌክትሪክ ባህሪያት - ከፍተኛ ቅልጥፍና፣ ፈጣን መቀያየር እና ከፍተኛ የኃይል ቁጠባ ያላቸውን መሳሪያዎች ለማዘጋጀት አስፈላጊ ነው።

ይህ ጽሑፍ ንጣፎች እና ኤፒታክሲያል ቴክኖሎጂዎች እንዴት እንደሚሠሩ፣ ለምን አስፈላጊ እንደሆኑ እና እንደ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶች የወደፊት ዕጣ ፈንታ እንዴት እንደሚቀርጹ ያብራራልSi፣ GaN፣ GaAs፣ ሰንፔር እና SiC.

1. ምንድን ነው?ሴሚኮንዳክተር ንጣፍ?

አንድ ንጣፍ መሳሪያ የሚገነባበት ነጠላ-ክሪስታል "ፕላትፎርም" ነው። መዋቅራዊ ድጋፍ፣ የሙቀት መበታተን እና ከፍተኛ ጥራት ላለው የኤፒታክሲያል እድገት የሚያስፈልገውን የአቶሚክ ቴምፕሌት ይሰጣል።

የንዑስ ክፍል ቁልፍ ተግባራት

• የሜካኒካል ድጋፍ፡በማቀነባበር እና በአሠራር ወቅት መሳሪያው መዋቅራዊ በሆነ መልኩ የተረጋጋ መሆኑን ያረጋግጣል።

• የክሪስታል አብነት፡የኤፒታክሲያል ንብርብር በተደረደሩ የአቶሚክ ጥልፍልፍዎች እንዲያድግ ይመራል፣ ይህም ጉድለቶችን ይቀንሳል።

• የኤሌክትሪክ ሚና፡ኤሌክትሪክ (ለምሳሌ፣ Si፣ SiC) ወይም እንደ ኢንሱሌተር (ለምሳሌ፣ ሰንፔር) ሊያገለግል ይችላል።

የተለመዱ የንጣፍ ቁሶች

ንዑሳን ክፍሎች እንዴት እንደሚመረቱ

1. የቁሳቁስ ጽዳት፡ሲሊኮን ወይም ሌሎች ውህዶች ወደ ከፍተኛ ንፅህና ይጣራሉ።

2. የአንድ ክሪስታል እድገት;

   • ዞክራልስኪ (CZ)- ለሲሊኮን በጣም የተለመደው ዘዴ።

   • ተንሳፋፊ ዞን (FZ)- እጅግ በጣም ከፍተኛ ንፁህ ክሪስታሎችን ያመነጫል።

3. የዋፈር መቆራረጥ እና ማጥራት፡ቡሌዎች ወደ ዋፈር ተቆርጠው ለአቶሚክ ለስላሳነት ይወለዳሉ።

4. ጽዳት እና ምርመራ:የብክለት መጠንን ማስወገድ እና የብክለት መጠኑን መመርመር።

የቴክኒክ ተግዳሮቶች

አንዳንድ የላቁ ቁሳቁሶች - በተለይም SiC - እጅግ በጣም ቀርፋፋ በሆነ የክሪስታል እድገት (ከ0.3–0.5 ሚሜ/ሰዓት ብቻ)፣ ጥብቅ የሙቀት መቆጣጠሪያ መስፈርቶች እና ትላልቅ የመቁረጥ ኪሳራዎች (የSiC kerf መጥፋት >70% ሊደርስ ይችላል) ምክንያት ለማምረት አስቸጋሪ ናቸው። ይህ ውስብስብነት የሶስተኛ ትውልድ ቁሳቁሶች ውድ ሆነው እንዲቀጥሉ ከሚያስችላቸው ምክንያቶች አንዱ ነው።

2. የኤፒታክሲያል ንብርብር ምንድን ነው?

የኤፒታክሲያል ንብርብር ማሳደግ ማለት ቀጭን፣ ከፍተኛ ንፁህ፣ ነጠላ-ክሪስታል ፊልም በንጣፉ ላይ በትክክል የተስተካከለ የላቲስ አቅጣጫ ማስቀመጥ ማለት ነው።

የኤፒታክሲያል ንብርብር ይወስናልየኤሌክትሪክ ባህሪየመጨረሻው መሣሪያ።

ኤፒታክሲ ለምን አስፈላጊ ነው?

• የክሪስታል ንፅህናን ይጨምራል

• ብጁ የዶፒንግ መገለጫዎችን ያነቃል

• የንጥረ-ነገር ጉድለት ስርጭትን ይቀንሳል

• እንደ ኳንተም ጉድጓዶች፣ HEMTዎች እና ሱፐርላቲስ ያሉ ሄትሮስትራክቸርስን በዲዛይን ያዘጋጃል

ዋና ዋና የኤፒታክሲ ቴክኖሎጂዎች

በኤፒታክሲ ውስጥ ወሳኝ መለኪያዎች

• የንብርብር ውፍረት፡ለኳንተም ጉድጓዶች ናኖሜትሮች፣ እስከ 100 μm ለኃይል መሳሪያዎች።

• ዶፒንግ፡የቆሻሻ መጣያዎችን በትክክል በማስገባት የተንቀሳቃሽ ሴል ትኩረትን ያስተካክላል።

• የበይነገጽ ጥራት፡ከላቲስ አለመመጣጠን የሚመጣውን መቆራረጥ እና ጭንቀት መቀነስ አለበት።

በሄትሮኢፒታክሲ ውስጥ ያሉ ተግዳሮቶች

• የላቲስ አለመጣጣም፦ለምሳሌ፣ GaN እና sapphire በ~13% አለመመጣጠን።

• የሙቀት መስፋፋት አለመመጣጠን;በማቀዝቀዝ ወቅት ስንጥቅ ሊያስከትል ይችላል።

• የጉድለት ቁጥጥር፡የመጠባበቂያ ንብርብሮችን፣ ደረጃ የተሰጣቸው ንብርብሮችን ወይም የኒውክሊየሽን ንብርብሮችን ይፈልጋል።

3. ንዑስ ክፍል እና ኤፒታክሲ እንዴት አብረው እንደሚሠሩ፡ እውነተኛ የዓለም ምሳሌዎች

በሳፋየር ላይ የ GaN LED

• ሰንፔር ርካሽ እና መከላከያ ነው።

• የመጠባበቂያ ንብርብሮች (AlN ወይም ዝቅተኛ የሙቀት መጠን GaN) የላቲስ አለመጣጣምን ይቀንሳሉ።

• ባለብዙ-ኳንተም ጉድጓዶች (InGaN/GaN) ንቁ የብርሃን አመንጪ ክልል ይፈጥራሉ።

• ከ10⁸ ሴ.ሜ⁻² በታች የሆኑ የጉድለት እፍጋቶችን እና ከፍተኛ የብርሃን ቅልጥፍናን ያስገኛል።

ሲሲ ፓወር ሞስፌት

• ከፍተኛ የመበላሸት አቅም ያላቸውን 4H-SiC ንጣፎችን ይጠቀማል።

• የኤፒታክሲያል ድሪፍ ንብርብሮች (10–100 μm) የቮልቴጅ ደረጃን ይወስናሉ።

• ከሲሊኮን የኃይል መሳሪያዎች ጋር ሲነጻጸር ~90% ያነሰ የኮንትራክሽን ኪሳራዎችን ይሰጣል።

GaN-on-Silicon RF መሳሪያዎች

• የሲሊኮን ንጣፎች ወጪን ይቀንሳሉ እና ከሲኤምኦኤስ ጋር እንዲዋሃዱ ያስችላቸዋል።

• የአልኤን ኒውክሊየሽን ንብርብሮች እና የተነደፉ ቋቶች ውጥረትን ይቆጣጠራሉ።

• በሚሊሜትር ሞገድ ድግግሞሾች ላይ ለሚሰሩ 5ጂ ፓ ቺፖች ጥቅም ላይ ይውላል።

4. ንዑስ ክፍል ከኤፒታክሲ ጋር ሲነጻጸር፡ ዋና ልዩነቶች

5. እነዚህ ቴክኖሎጂዎች ወዴት እያመሩ ነው

ትላልቅ የዋፈር መጠኖች

• ወደ 12 ኢንች ሲቀየር

• ከ6 ኢንች ወደ 8 ኢንች የሚንቀሳቀስ SiC (ዋና የወጪ ቅነሳ)

• ትልቅ ዲያሜትር የውጤት ፍሰትን ያሻሽላል እና የመሳሪያውን ወጪ ይቀንሳል

ዝቅተኛ ዋጋ ያለው ሄትሮኢፒታክሲ

GaN-on-Si እና GaN-on-sapphire ውድ ለሆኑ የአካባቢው የGaN ንጣፎች አማራጭ ሆነው መገኘታቸውን ቀጥለዋል።

የላቀ የመቁረጥ እና የእድገት ቴክኒኮች

• በቀዝቃዛ የተሰነጠቀ መቆራረጥ የSiC kerf ብክነትን ከ ~75% ወደ ~50% ሊቀንስ ይችላል።

• የተሻሻሉ የእቶን ዲዛይኖች የSiC ምርትን እና ወጥነትን ይጨምራሉ።

የኦፕቲካል፣ የኃይል እና የRF ተግባራት ውህደት

ኤፒታክሲ ለወደፊቱ ለተዋሃዱ ፎቶኒክስ እና ለከፍተኛ ብቃት ላለው የኃይል ኤሌክትሮኒክስ አስፈላጊ የሆኑትን የኳንተም ጉድጓዶች፣ ሱፐርላቲሴዎች እና የተጣሩ ንብርብሮችን ያስችላል።

መደምደሚያ

ንዑሳን ክፍሎች እና ኤፒታክሲ የዘመናዊ ሴሚኮንዳክተሮች የቴክኖሎጂ መሠረት ይፈጥራሉ። ንዑሳን ክፍሎች አካላዊ፣ የሙቀት እና የክሪስታሊን መሠረትን ያስቀምጣሉ፣ ኤፒታክሲያል ንብርብር ደግሞ የላቀ የመሳሪያ አፈፃፀምን የሚያስችሏቸውን የኤሌክትሪክ ተግባራትን ይገልጻል።

ፍላጎት እየጨመረ በሄደ ቁጥርከፍተኛ ኃይል፣ ከፍተኛ ድግግሞሽ እና ከፍተኛ ቅልጥፍናስርዓቶች - ከኤሌክትሪክ ተሽከርካሪዎች እስከ የውሂብ ማዕከላት - እነዚህ ሁለት ቴክኖሎጂዎች አብረው መሻሻላቸውን ይቀጥላሉ። በዋፈር መጠን፣ በጉድለት ቁጥጥር፣ በሄትሮኢፒታክሲ እና በክሪስታል እድገት ላይ የሚደረጉ ፈጠራዎች የሚቀጥለውን የሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶችን እና የመሳሪያ አርክቴክቸሮችን ይቀርፃሉ።