ПЕЧАТНАЯ PCB - Что такое диодная подложка?

В современной электронике диодная подложка является не только решающим фактором в работе диодов, но и непосредственно влияет на стабильность и эффективность всей электронной системы.

Что такое диодная подложка? Проще говоря, диодная подложка - это полупроводниковый материал, используемый для изготовления диодов. Обычно она состоит из высокочистых кристаллических материалов, таких как кремний (Si), арсенид галлия (GaAs) или нитрид галлия (GaN). Эти материалы обеспечивают стабильную основу для легирования и формирования PN—перехода - основной структуры диода. PN-переход является ключом к достижению однонаправленной проводимости в диоде. За счет введения различных типов примесей (таких как легирующие добавки P-типа и N-типа) в подложку диода достигаются характеристики прямой проводимости и обратной блокировки.

Почему диодная подложка так важна? Потому что от нее напрямую зависят электрические характеристики диода, его термическая стабильность, способность выдерживать напряжение и срок службы. Например, в системах с высокой мощностью, если теплопроводность диодной подложки недостаточна, устройство подвержено перегреву и выходу из строя. Согласно физике полупроводников, решетчатая структура диодной подложки должна быть идеальной, чтобы минимизировать плотность дефектов, тем самым снижая ток утечки и повышая эффективность. По данным Международной организации полупроводниковой промышленности (SEMI), высококачественные диодные подложки могут повысить эффективность преобразования диодов более чем на 20%.

диодная подложка

Разработка диодных подложек началась в середине 20-го века. В 1947 году Bell Labs изобрела первый транзистор, заложив основу для создания современных диодных подложек. В ранних диодных подложках в основном использовался германий (Ge), но из-за его узкой запрещенной зоны (приблизительно 0,66 эВ) и низкой термостойкости он был быстро заменен кремнием. Кремний с шириной запрещенной зоны 1,12 эВ является недорогим и простым в обработке материалом, который становится основным выбором.

В 1980-х годах, с появлением сложных полупроводников, диодные подложки вступили в эпоху диверсификации. Диодные подложки из арсенида галлия получили широкое распространение в оптоэлектронных устройствах благодаря своим свойствам прямой запрещенной зоны, которые подходят для лазерных и светодиодных применений. В 1990-х годах Накамура Осаму, изобретатель синего светодиода, и другие ученые использовали подложки из нитрида галлия для создания высокоэффективных светодиодов. В 2014 году эта технология была отмечена Нобелевской премией по физике. В последние годы, с появлением 5G и новых энергетических транспортных средств, диодные подложки из карбида кремния (SiC) и нитрида галлия стали популярными. Эти материалы с широкой полосой пропускания (ширина запрещенной зоны превышает 3 эВ) способны выдерживать более высокие напряжения и температуры, что делает их пригодными для силовой электроники.

Технологические достижения также нашли отражение в методах выращивания кристаллов. Традиционный метод Чохральского (CZ) используется для подложек кремниевых диодов, в то время как молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) и металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) используются для подложек сложных диодов. Эти методы обеспечивают плоскостность подложки диода на атомарном уровне, при этом плотность дефектов не должна превышать 10,3 на квадратный сантиметр.

Выбор материала подложки диода зависит от требований к области применения. Обычно используются следующие типы подложек:

Кремниевые подложки - наиболее распространенный выбор, на их долю приходится более 70% рынка. К преимуществам относятся низкая стоимость, продуманные технологические процессы и хорошая механическая прочность. К недостаткам относится узкая пропускная способность, что делает их непригодными для использования в высокочастотных или высокотемпературных средах. В диодах Шоттки для выпрямления мощности часто используются подложки из кремниевых диодов.

Подложки из GaAs: высокая подвижность электронов (приблизительно 8500 см2/В·с, что в пять раз выше, чем у кремния) делает их пригодными для применения в радиочастотной и оптоэлектронной технике. Например, в PIN-диодах для солнечных элементов подложки из GaAs-диодов обеспечивают более высокую эффективность преобразования энергии в электричество (более 25%).

Подложки GaN: новая звезда с шириной запрещенной зоны 3,4 эВ и высокой теплопроводностью (приблизительно 200 Вт/м·К). Их использование в качестве диодных подложек в усилителях мощности и зарядных устройствах для электромобилей позволяет снизить потери энергии на 30%. Однако подложки для диодов GaN сложны в выращивании и дороги, и в настоящее время в них доминируют такие компании, как Cree и Osram.

Подложки из карбида кремния: они устойчивы к высоким температурам (до 600°C) и имеют высокое напряжение пробоя (приблизительно 3 МВ/см). В высоковольтных диодах, таких как SiC-диоды Шоттки, эти подложки широко используются в ветроэнергетике и высокоскоростных железнодорожных системах.

Кроме того, новые материалы, такие как подложки для алмазных диодов, обладают теплопроводностью до 2000 Вт/м·К, но из-за сложной обработки они все еще находятся на лабораторной стадии. При выборе материала необходимо учитывать такие параметры, как ширина запрещенной зоны, скорость насыщения электронами и коэффициент теплового расширения, чтобы он соответствовал конкретному типу диода.

Процесс изготовления подложек для диодов отличается высокой точностью и обычно включает следующие этапы:

Выращивание кристаллов: Монокристаллические слитки выращиваются методом CZ или методом плавающей зоны, а затем нарезаются на тонкие пластины (толщиной примерно 0,5-1 мм).

Обработка поверхности: Химико-механическая полировка (CMP) используется для достижения нанометровой ровности поверхности подложки диода. Легирование и эпитаксия: На подложку диода наносится эпитаксиальный слой с примесями бора (P-типа) или фосфора (N-типа) для формирования PN-перехода.

Фотолитография и травление: Узоры создаются с использованием методов фотолитографии с последующим травлением областей контакта электродов.

Тестирование и упаковка: Диодная подложка подвергается электрическому тестированию, чтобы убедиться, что прямое падение напряжения составляет менее 0,7 В, а обратный ток утечки - в диапазоне микроампер.

Весь процесс должен проводиться в чистом помещении, чтобы избежать попадания загрязняющих веществ. Передовые производители, такие как Intel и TSMC, используют EUV-литографию для дальнейшего улучшения интеграции диодных подложек.

Диодные подложки используются во всех сферах нашей повседневной жизни. В бытовой электронике кремниевые диодные подложки используются в качестве выпрямительных диодов в зарядных устройствах для мобильных телефонов, обеспечивая эффективное преобразование энергии. В секторе освещения диодные подложки GaN используются для создания светодиодных ламп, а мировой рынок светодиодов превышает 50 миллиардов долларов.

Диодные подложки будут продолжать совершенствоваться в направлении повышения производительности и снижения затрат. Квантовые точки и двумерные материалы (такие как графен) могут быть интегрированы в диодные подложки, что позволит создавать субнанометровые устройства. Экологичность также является ключевой проблемой, и для снижения воздействия на окружающую среду появляются технологии вторичной переработки кремниевых диодных подложек. Диодные подложки являются краеугольным камнем полупроводниковых технологий, поддерживающим развитие современной электронной цивилизации, от базовых материалов до передовых приложений. Благодаря постоянным инновациям мы можем рассчитывать на более эффективное и надежное диодное устройство