半導(dǎo)體襯底材料的選擇

文章來(lái)源：半導(dǎo)體材料與工藝設(shè)備

原文作者：CIAS-VV

電子科技領(lǐng)域中，半導(dǎo)體襯底作為基礎(chǔ)材料，承載著整個(gè)電路的運(yùn)行。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)半導(dǎo)體襯底材料的選擇和應(yīng)用要求也越來(lái)越高。本文將為您詳細(xì)介紹半導(dǎo)體襯底材料的選擇、分類以及襯底與外延的搭配方案。

在電子科技領(lǐng)域，半導(dǎo)體襯底是一種不可或缺的基礎(chǔ)材料，它承載了整個(gè)電路的運(yùn)行。然而對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，對(duì)半導(dǎo)體襯底的了解卻相當(dāng)有限。

半導(dǎo)體襯底材料的選擇

半導(dǎo)體襯底材料的選擇對(duì)于外延生長(zhǎng)和器件性能至關(guān)重要，需要考慮多個(gè)因素。以下是選擇襯底材料時(shí)主要考慮的因素。

1.結(jié)構(gòu)特性：

襯底材料的晶體結(jié)構(gòu)需要與外延材料的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近，以獲得高質(zhì)量的外延層。同時(shí)，襯底材料的晶格常數(shù)應(yīng)與外延材料的晶格常數(shù)相匹配，以減小晶格失配引起的應(yīng)力，避免產(chǎn)生缺陷。

2.化學(xué)穩(wěn)定性：

襯底材料應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，以確保在高溫和存在氣相有機(jī)源的條件下不會(huì)被分解或腐蝕。此外，襯底材料與外延材料之間應(yīng)避免發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以保持外延層的純度。

3.熱學(xué)性能：

襯底材料的熱導(dǎo)率應(yīng)高，以有效地將熱量傳遞出去，降低外延層的熱應(yīng)力。同時(shí)，襯底材料與外延材料之間的熱膨脹系數(shù)應(yīng)相近，以減小因熱膨脹系數(shù)差異引起的應(yīng)力。

4.導(dǎo)電性能：

襯底材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性能，以便在外延層上實(shí)現(xiàn)高效的電流傳輸。對(duì)于某些特殊應(yīng)用，如光電器件，襯底材料還應(yīng)具有較低的光吸收系數(shù)，以利于提高器件的光提取效率和發(fā)光效率。

5.機(jī)械性能：

襯底材料應(yīng)具有優(yōu)良的機(jī)械性能，易于對(duì)其進(jìn)行切割、減薄、拋光等加工操作。此外，襯底材料的硬度、韌性等機(jī)械性能也會(huì)影響外延層的生長(zhǎng)質(zhì)量和器件性能。

6.成本和尺寸：

襯底材料的成本應(yīng)低廉，以便實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和降低器件成本。同時(shí)，襯底材料的尺寸應(yīng)足夠大，以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。

半導(dǎo)體襯底材料包含哪幾類

硅材料

硅的禁帶寬度為1.12eV，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能和穩(wěn)定性，可以滿足多種電子器件的應(yīng)用需求。硅基集成電路、晶體管、太陽(yáng)能電池等都是基于硅材料制造的。

硅襯底是目前最常見(jiàn)的半導(dǎo)體襯底，其優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，工藝成熟，性能穩(wěn)定。但是，由于硅的載流子濃度較低，因此在高頻應(yīng)用中可能會(huì)存在一定的限制。

鍺材料

鍺的禁帶寬度為0.67eV，具有較高的電子遷移率，可以用于制造高速電子器件。由于鍺的穩(wěn)定性較差，容易受到溫度和濕度的干擾。

鍺襯底的優(yōu)點(diǎn)在于其載流子濃度較高，適合用于高頻應(yīng)用。但是，鍺是一種稀有元素，在地殼中的含量非常低，因此價(jià)格較高。且工藝復(fù)雜，在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用較少。

化合物半導(dǎo)體材料

化合物半導(dǎo)體材料是指由兩種或兩種以上元素組成的半導(dǎo)體材料。常見(jiàn)的化合物半導(dǎo)體材料包括砷化鎵、磷化銦、碳化硅等。這些材料具有一些獨(dú)特的性能和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，如高速、高頻、高溫、高功率等，可以用于制造特殊用途的電子器件。

砷化鎵是一種重要的化合物半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為1.43eV，具有高速、高頻、高溫的特性。在通信、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，砷化鎵器件的應(yīng)用十分廣泛。由于砷化鎵的價(jià)格較高，其應(yīng)用主要集中在高端領(lǐng)域。

磷化銦是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為0.34eV，具有高電子遷移率和優(yōu)良的光電性能。磷化銦在光電子和微電子領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，如光探測(cè)器、激光器、高速晶體管等。

碳化硅是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為2.3eV，具有高耐壓、高頻率、低能量損耗等特性。碳化硅在電動(dòng)汽車、5G通信、光伏等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。由于碳化硅的制備技術(shù)難度較大，成本較高，其應(yīng)用主要集中在高端領(lǐng)域。

在實(shí)際應(yīng)用中，襯底往往配合外延一起使用。那么襯底和外延的搭配方案又是如何呢？

襯底+外延的組合方案

GaN 外延層搭配 SiC 襯底：

這種搭配方案在藍(lán)光 LED 領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，因?yàn)?GaN 在 SiC 上的外延質(zhì)量較高，同時(shí) SiC 的高熱導(dǎo)率可以有效地解決 GaN LED 發(fā)熱問(wèn)題。

GaN 外延層搭配 Si 襯底：

這種搭配方案成本較低，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。然而，由于 GaN 和 Si 的晶格失配較大，需要在 Si 襯底上制備一層緩沖層以減小晶格失配。

InGaN 外延層搭配 GaN 襯底：

這種搭配方案適用于制備高亮度藍(lán)綠光 LED。GaN 襯底具有較高的導(dǎo)熱性能，同時(shí) GaN 和 InGaN 的晶格匹配度較高，可以獲得高質(zhì)量的外延層。

AlGaInP 外延層搭配 GaAs 襯底：

這種搭配方案適用于制備紅光和黃光 LED。GaAs 襯底具有較低的成本和成熟的制備工藝，同時(shí) GaAs 和 AlGaInP 的晶格匹配度較高。

審核編輯：湯梓紅