1. Substrat
1. Definisi dan Fungsi
· Dukungan Fisik: Substrat adalah pembawa perangkat semikonduktor, biasanya wafer kristal tunggal atau persegi (seperti wafer silikon).
· Templat kristal: Menyediakan templat untuk pengaturan atom untuk pertumbuhan lapisan epitaxial untuk memastikan bahwa lapisan epitaxial konsisten dengan struktur kristal substrat (homoepitaxial) atau kecocokan (heteroepitaxial).
· Dasar Listrik: Bagian dari substrat secara langsung berpartisipasi dalam konduksi perangkat (seperti perangkat daya berbasis silikon), atau bertindak sebagai isolator untuk mengisolasi sirkuit (seperti substrat safir).
2. Perbandingan bahan substrat utama
|
Bahan |
Fitur |
Aplikasi khas |
|
Silikon (SI) |
Biaya rendah, teknologi dewasa, konduktivitas termal sedang |
Sirkuit Terpadu, MOSFET, IGBT |
|
Sapphire (al₂o₃) |
Insulasi, resistensi suhu tinggi, ketidakcocokan kisi besar (hingga 13% dengan GAN) |
LED berbasis GAN, perangkat RF |
|
Silikon karbida (sic) |
Konduktivitas termal tinggi, kekuatan medan kerusakan tinggi, ketahanan suhu tinggi |
Modul Daya Kendaraan Listrik, Perangkat RF Stasiun Base 5G |
|
Gallium arsenide (Gaas) |
Karakteristik frekuensi tinggi yang sangat baik, celah pita langsung |
Chip RF, dioda laser, sel surya |
|
Gallium Nitride (GAN) |
Mobilitas elektron tinggi, resistensi tegangan tinggi |
Adaptor pengisian daya cepat, perangkat komunikasi gelombang milimeter |
3. Pertimbangan Inti untuk Pemilihan Substrat
· Pencocokan Lattice: Mengurangi cacat lapisan epitaxial (misalnya ketidakcocokan kisi kisi\/safir mencapai 13%, membutuhkan lapisan buffer).
· Pencocokan koefisien ekspansi termal: Hindari retak tegangan yang disebabkan oleh perubahan suhu.
· Kompatibilitas biaya dan proses: Misalnya, substrat silikon mendominasi arus utama karena proses yang matang.
2. Lapisan Epitaxial
1. Definisi dan Tujuan
Pertumbuhan epitaxial: Deposisi film tipis kristal tunggal pada permukaan substrat dengan metode kimia atau fisik, dengan pengaturan atom secara ketat selaras dengan substrat.
Fungsi inti:
- Meningkatkan kemurnian material (substrat mungkin mengandung kotoran).
- Membangun struktur yang heterogen (seperti sumur gaaS\/algaas kuantum).
- Mengisolasi cacat substrat (seperti cacat mikropipe pada substrat SiC).
2. Klasifikasi Teknologi Epitaxial
|
Teknologi |
Prinsip |
Fitur |
Bahan yang berlaku |
|
MOCVD |
Sumber Logam Organik + Reaksi Gas (seperti TMGA + NH₃ untuk menghasilkan GAN) |
Cocok untuk semikonduktor majemuk, produksi massal |
Gan, Gaas, INP |
|
Mbe |
Deposisi Lapisan Lapisan demi Lapisan Molekul di bawah Vakum Ultra-Tinggi |
Kontrol tingkat atom, tingkat pertumbuhan yang lambat, biaya tinggi |
Superlattice, titik kuantum |
|
LPCVD |
Dekomposisi termal gas sumber silikon (seperti sih₄) di bawah tekanan rendah |
Teknologi Epitaxy Silikon Mainstream, Keseragaman yang Baik |
Si, sige |
|
Hvpe |
Epitaks fase uap halida suhu tinggi |
Tingkat pertumbuhan cepat, cocok untuk film tebal (seperti substrat GAN) |
Gan, Zno |
3. Parameter kunci dari desain lapisan epitaxial
- Ketebalan: Dari beberapa nanometer (sumur kuantum) hingga puluhan mikron (epilayer perangkat daya).
- Doping: Kontrol konsentrasi pembawa dengan tepat doping seperti fosfor (tipe-n) dan boron (tipe-p).
- Kualitas Antarmuka: Ketidakcocokan kisi perlu dikurangi oleh lapisan buffer (seperti gan\/aln) atau superlattice tegang.
4. Tantangan dan solusi pertumbuhan heteroepitaxial
- Ketidakcocokan Kisi:
- Lapisan buffer gradien: Secara bertahap mengubah komposisi dari substrat ke lapisan epitaxial (seperti lapisan gradien algan).
- Lapisan nukleasi suhu rendah: Tumbuhkan lapisan tipis pada suhu rendah untuk mengurangi tegangan (seperti lapisan nukleasi ALN suhu rendah Gan).
- Ketidakcocokan termal: Pilih kombinasi bahan dengan koefisien ekspansi termal yang serupa, atau gunakan desain antarmuka yang fleksibel.
3. Kasus aplikasi sinergis dari substrat dan epitaxy
Kasus 1: LED berbasis GAN
Substrat: Sapphire (biaya rendah, isolasi).
Struktur epitaxial:
- Lapisan buffer (ALN atau GAN suhu rendah) → Mengurangi cacat ketidakcocokan kisi.
- Lapisan GaN tipe-N → Menyediakan elektron.
- Ingan\/Gan multi-kuantum sumur → lapisan pemancar cahaya.
- Lapisan Gan-Type → Menyediakan lubang.
Hasil: Kepadatan cacat serendah 10⁸ cm⁻², dan efisiensi bercahaya meningkat secara signifikan.
Kasus 2: SiC Power Mosfet
Substrat: kristal tunggal 4H-SIC (tahan tegangan hingga 10 kV).
Lapisan Epitaxial:
- N-tipe SIC Drift Layer (ketebalan 10-100 μm) → tahan tegangan tinggi.
- Wilayah dasar SIC tipe p → pembentukan saluran kontrol.
Keuntungan: 90% lebih rendah resistensi daripada perangkat silikon, kecepatan switching 5 kali lebih cepat.
Kasus 3: Perangkat Gan RF berbasis silikon
Substrat: silikon resistensi tinggi (biaya rendah, mudah diintegrasikan).
Lapisan Epitaxial:
- Lapisan nukleasi ALN → mengurangi ketidakcocokan kisi antara Si dan Gan (16%).
- Lapisan buffer GAN → menangkap cacat dan mencegahnya dari meluas ke lapisan aktif.
- Heterojunction Algan\/Gan → membentuk saluran mobilitas elektron tinggi (HEMT).
Aplikasi: Penguat daya stasiun pangkalan 5G, dengan frekuensi lebih dari 28 GHz.
