המצע הוא הבסיס הפיזי של המכשיר וקובע את כדאיותם ועלות הצמיחה האפיטקסיאלית .
השכבה האפיטקסיאלית היא הליבה הפונקציונלית, והביצועים החשמליים והאופטיים מותאמים באמצעות תכנון מבני וסמים מדויקים .
ההתאמה של השניים (סריג, חום, חשמל) היא המפתח למכשירים בעלי ביצועים גבוהים, מניעים טכנולוגיית מוליכים למחצה לתדר גבוה יותר, כוח גבוה יותר וצריכת חשמל נמוכה יותר {}}
1. מצע
הגדרה ופונקציה
תמיכה פיזית: המצע הוא המנשא של מכשיר המוליכים למחצה, בדרך כלל גיליון דק עגול או מרובע גביש יחיד (כגון פליקי סיליקון) .
תבנית קריסטל: מספקת תבנית לסידור אטומי לצמיחת שכבה אפיטקסיאלית כדי להבטיח שהשכבה האפיטקסיאלית תואמת את מבנה הגביש המצע (אפיטקסיה הומוגנית) או התאמות (אפיטקסיה הטרוגנית) {}}}
בסיס חשמלי: חלק מהמצעים משתתפים ישירות בהולכת מכשירים (כגון התקני חשמל מבוססי סיליקון) או משמשים כמבודדים לבידוד מעגלים (כגון מצעי ספיר) .
2. השוואה בין חומרי מצע מיינסטרים
| חוֹמֶר | מאפיינים | יישומים אופייניים |
| סיליקון (SI) | עלות נמוכה, טכנולוגיה בוגרת, מוליכות תרמית בינונית | מעגל משולב, MOSFET, IGBT |
| ספיר (al₂o₃) | בידוד, עמידות בטמפרטורה גבוהה, אי התאמה גדולה של סריג (עד 13% עם GAN) | נוריות LED מבוססות GAN ומכשירי RF |
| סיליקון קרביד (SIC) | מוליכות תרמית גבוהה, חוזק שדה התמוטטות גבוהה, עמידות בטמפרטורה גבוהה | מודולי חשמל לרכב חשמלי, מכשירי RF תחנת בסיס 5G |
| Gallium Arsenide (GAAS) | מאפייני תדר גבוה מעולים, פס ישיר | שבבי RF, דיודות לייזר, תאים סולאריים |
| גליום ניטריד (GAN) | ניידות אלקטרונים גבוהה, עמידות בפני מתח גבוה | מתאם טעינה מהיר, מכשיר תקשורת גל מילימטר |
3. שיקולי ליבה לבחירת מצע
התאמת סריג: הפחיתו את הפגמים בשכבה אפיטקסיאלית (כגון אי התאמה של סריג GAN/Sapphire של 13%, הדורשת שכבת מאגר) .
מקדם התפשטות תרמית התאמה: הימנע מפיצוח מתח הנגרם כתוצאה משינויי טמפרטורה .
תאימות עלות ותהליך: לדוגמה, מצעי סיליקון חולשים על הזרם המרכזי בגלל תהליכים בוגרים .
2. שכבה אפיטקסיאלית
1. הגדרה ומטרה
צמיחה אפיטקסיאלית: הפקדת סרטים דקים של קריסטל יחיד על פני המצע על ידי שיטות כימיות או פיזיות, והסידור האטומי מיושר בקפדנות עם המצע .
תפקיד ליבה:
שפר את טוהר החומר (המצע עשוי להכיל זיהומים) .
בנה מבנים הטרוגניים (כגון GAAS/Algaas Wells Quantum) .
בידוד פגמי מצע (כגון ליקויי מיקרו -קינור במצעי SIC) .
2. סיווג הטכנולוגיה האפיטקסיאלית
3. פרמטרי מפתח של עיצוב שכבה אפיטקסיאלית
עובי: מכמה ננומטרים (בארות קוונטיות) ועד עשרות מיקרון (שכבה אפיטקסיאלית של מכשיר החשמל) .
סמים: שליטה במדויק על ריכוז המנשא על ידי זיהומים של סמים כמו זרחן (N-type) ו- Boron (p-type) .
איכות הממשק: יש להקל על אי התאמה של סריג על ידי שכבות חיץ (כמו Gan/Aln) או Superlattices מתוחים .
4. אתגרים ופתרונות של אי התאמה של סריג צמיחה הטרואפיטקסיאלית:
שכבת מאגר הדרגתית: שנה בהדרגה את ההרכב ממצע לשכבה אפיטקסיאלית (כגון שכבת שיפוע אלגן) .
שכבת גרעין בטמפרטורה נמוכה: גידול שכבות דקות בטמפרטורה נמוכה כדי להפחית לחץ (כמו שכבת גרעין ALN בטמפרטורה נמוכה של GAN) {}}}
אי התאמה תרמית: בחר שילוב של חומרים עם מקדמי התפשטות תרמיים דומים, או השתמש בתכנון ממשק גמיש .
3. מקרי יישומים שיתופיים של מצע ואפיטקסיה
מקרה 1: מצע LED מבוסס GAN: ספיר (עלות נמוכה, בידוד) .
מבנה אפיטקסיאלי:
שכבת מאגר (GAN ALN או Thelemperature) → הפחית
שכבת GAN מסוג N-Type → ספק אלקטרונים .
Ingan/gan בארות קוונטיות מרובות → שכבה פולטת אור .
שכבת GAN מסוג p-type → ספק חורים .
תוצאה: צפיפות הפגמים נמוכה כמו 10⁸ ס"מ ², והיעילות הזוהרת משופרת משמעותית .
מקרה 2: SIC Power MOSFET
מצע: קריסטל יחיד 4H-SIC (לעמוד במתח של עד 10 קילוואט) .
שכבה אפיטקסיאלית:
שכבת Drift SIC מסוג N-type (עובי 10-100 מיקרומטר) → עומד במתח גבוה .
אזור בסיס בסיס P-Type → היווצרות ערוץ בקרה .
יתרונות: 90% נמוכים יותר בהתנגדות מאשר התקני סיליקון, מהירות מיתוג מהירה פי 5 מהירה .
מקרה 3: מצע מכשיר GAN RF מבוסס סיליקון: סיליקון עמידות גבוהה (עלות נמוכה, שילוב קל) .
Epilayer: שכבת גרעין ALN → הקלה על אי התאמת הסריג בין SI ל- GAN (16%) .
שכבת מאגר GAN → לכידת פגמים ומונעים מהם להרחב לשכבה הפעילה .
Algan/Gan Heterojunction → יוצרים ערוץ ניידות אלקטרונים גבוה (HEMT) .
יישום: מגבר כוח תחנת בסיס 5G, תדר יכול להגיע ליותר מ- 28 GHz .