半导体衬底材料的选择

文章来源：半导体材料与工艺设备

原文作者：CIAS-VV

电子科技领域中，半导体衬底作为基础材料，承载着整个电路的运行。随着技术的不断发展，对半导体衬底材料的选择和应用要求也越来越高。本文将为您详细介绍半导体衬底材料的选择、分类以及衬底与外延的搭配方案。

在电子科技领域，半导体衬底是一种不可或缺的基础材料，它承载了整个电路的运行。然而对于大多数人来说，对半导体衬底的了解却相当有限。

半导体衬底材料的选择

半导体衬底材料的选择对于外延生长和器件性能至关重要，需要考虑多个因素。以下是选择衬底材料时主要考虑的因素。

1.结构特性：

衬底材料的晶体结构需要与外延材料的晶体结构相同或相近，以获得高质量的外延层。同时，衬底材料的晶格常数应与外延材料的晶格常数相匹配，以减小晶格失配引起的应力，避免产生缺陷。

2.化学稳定性：

衬底材料应具有良好的化学稳定性，以确保在高温和存在气相有机源的条件下不会被分解或腐蚀。此外，衬底材料与外延材料之间应避免发生化学反应，以保持外延层的纯度。

3.热学性能：

衬底材料的热导率应高，以有效地将热量传递出去，降低外延层的热应力。同时，衬底材料与外延材料之间的热膨胀系数应相近，以减小因热膨胀系数差异引起的应力。

4.导电性能：

衬底材料应具有良好的导电性能，以便在外延层上实现高效的电流传输。对于某些特殊应用，如光电器件，衬底材料还应具有较低的光吸收系数，以利于提高器件的光提取效率和发光效率。

5.机械性能：

衬底材料应具有优良的机械性能，易于对其进行切割、减薄、抛光等加工操作。此外，衬底材料的硬度、韧性等机械性能也会影响外延层的生长质量和器件性能。

6.成本和尺寸：

衬底材料的成本应低廉，以便实现大规模生产和降低器件成本。同时，衬底材料的尺寸应足够大，以满足大规模生产的需求。

半导体衬底材料包含哪几类

硅材料

硅的禁带宽度为1.12eV，具有优良的导电性能和稳定性，可以满足多种电子器件的应用需求。硅基集成电路、晶体管、太阳能电池等都是基于硅材料制造的。

硅衬底是目前最常见的半导体衬底，其优点是成本低廉，工艺成熟，性能稳定。但是，由于硅的载流子浓度较低，因此在高频应用中可能会存在一定的限制。

锗材料

锗的禁带宽度为0.67eV，具有较高的电子迁移率，可以用于制造高速电子器件。由于锗的稳定性较差，容易受到温度和湿度的干扰。

锗衬底的优点在于其载流子浓度较高，适合用于高频应用。但是，锗是一种稀有元素，在地壳中的含量非常低，因此价格较高。且工艺复杂，在大规模生产中的应用较少。

化合物半导体材料

化合物半导体材料是指由两种或两种以上元素组成的半导体材料。常见的化合物半导体材料包括砷化镓、磷化铟、碳化硅等。这些材料具有一些独特的性能和应用优势，如高速、高频、高温、高功率等，可以用于制造特殊用途的电子器件。

砷化镓是一种重要的化合物半导体材料，其禁带宽度为1.43eV，具有高速、高频、高温的特性。在通信、雷达、卫星通信等领域，砷化镓器件的应用十分广泛。由于砷化镓的价格较高，其应用主要集中在高端领域。

磷化铟是一种直接带隙半导体材料，其禁带宽度为0.34eV，具有高电子迁移率和优良的光电性能。磷化铟在光电子和微电子领域的应用十分广泛，如光探测器、激光器、高速晶体管等。

碳化硅是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度为2.3eV，具有高耐压、高频率、低能量损耗等特性。碳化硅在电动汽车、5G通信、光伏等领域的应用前景广阔。由于碳化硅的制备技术难度较大，成本较高，其应用主要集中在高端领域。

在实际应用中，衬底往往配合外延一起使用。那么衬底和外延的搭配方案又是如何呢？

衬底+外延的组合方案

GaN 外延层搭配 SiC 衬底：

这种搭配方案在蓝光 LED 领域应用广泛，因为 GaN 在 SiC 上的外延质量较高，同时 SiC 的高热导率可以有效地解决 GaN LED 发热问题。

GaN 外延层搭配 Si 衬底：

这种搭配方案成本较低，适用于大规模生产。然而，由于 GaN 和 Si 的晶格失配较大，需要在 Si 衬底上制备一层缓冲层以减小晶格失配。

InGaN 外延层搭配 GaN 衬底：

这种搭配方案适用于制备高亮度蓝绿光 LED。GaN 衬底具有较高的导热性能，同时 GaN 和 InGaN 的晶格匹配度较高，可以获得高质量的外延层。

AlGaInP 外延层搭配 GaAs 衬底：

这种搭配方案适用于制备红光和黄光 LED。GaAs 衬底具有较低的成本和成熟的制备工艺，同时 GaAs 和 AlGaInP 的晶格匹配度较高。

审核编辑：汤梓红