襯底器件
關注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-08-20
襯底器件的實例教程
來自南洋理工大學等單位的研究人員，介紹了一種高精度、低成本的激光誘導退火(LIA)技術，它能消除顆粒聚集，快速生成均勻的結構，且活性中心曝光率高，可在常溫下幾分鐘內碳化導電襯底上的MOF。通過系統(tǒng)地設計具有8個和12個襯底的MOF，成功地制作了一系列尺寸可控、柔性好的LIA-MOF/襯底器件。更多精彩視頻抖音搜索“材料科學網”，相關成果發(fā)表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202102648
這些LIA-MOF/襯底器件可以直接用作工作電極。值得注意的是，泡沫鎳上的LiA-MIL-101(Fe)在電流密度為50 mA cm?2時的超低過電位為225mV，在50h內表現出良好的析氧穩(wěn)定性，表現出優(yōu)于最新報道的過渡金屬基電催化劑和商用RuO2的性能。物理表征和理論計算表明，LiA-MIL-101(Fe)的高活性源于激光處理過程中形成的Ni摻雜Fe3O4覆蓋層對中間體的良好吸附。此外，還組裝了LIA-MOF/襯底器件，以實現整體的水分解。提出的直線感應加熱策略為制造可伸縮的儲能和轉換設備提供了一條低成本、低成本的途徑。
圖1.a)導電襯底上MOF的激光誘導退火示意圖。
圖2.a) LIA生成前后MIL-101(Fe)對NF不同大小的影響。更多精彩視頻抖音搜索“材料科學網”。
展開 據“三代半風向”了解，2015年，Cree和Rohm都展示了8英寸SIC襯底。2015年7月，II-VI也展示了8英寸導電型SiC襯底，2019年又推出了半絕緣8英寸SiC襯底。2020年9月24日，英飛凌表示200mmSiC晶圓生產線已經建成。
在量產時間表方面，2019年5月，Cree宣布投入10億美元（約64.6億人民幣）建設新工廠，將于2024年量產8英寸碳化硅等產品。
今年4月，II-VI表示，未來5年內，將SiC襯底的生產能力提高5至10倍，其中包括量產直徑200 mm（8英寸）的襯底。
英飛凌預計2023年左右開始量產8英寸襯底，以2025年為目標，量產8英寸SiC襯底器件。
此外，中國企業(yè)也掌握了相關技術。2020年10月，據山西日報報道，山西爍科晶體公司完全掌握4-6英寸襯底片“切、磨、拋”工藝，同時8英寸襯底片已經研發(fā)成功，即將量產。
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展開 另外，器件的設計和操作簡單，與現有的硅場效應管類似，而且從原理上來說對于n或p型半導體均適用，因此對使用單層二維材料生產高性能集成電路的可行性提供了重要的依據。研究成果以Monolayer Molybdenum Disulfide Transistors with Single-Atom-Thick Gates為題于近期發(fā)表在Nano Letters上。
【圖文導讀】
圖一、器件結構 和顯微鏡表征
（a）器件結構示意圖；（b）MoS2/HfO2/Gr結構的光學顯微鏡圖；（c）MoS2/HfO2/Gr結構的拉曼光譜；（d）器件的SEM圖；（e）器件的AFM圖。
圖二、HfO2 電學性能，以及MoS2-Ni接觸電阻表征
（a）擊穿電壓測試；（b）擊穿電場與氧化層厚度的關系；（c）-（d）HfO2電介常數測試；（e）接觸電阻對于性能的影響；（f）接觸電阻隨柵極電壓的變化。
圖三、器件電學性能表征
（a）-（c）當HfO2約為16 nm厚時的器件輸出特性曲線，轉移特性曲線和不同溝道長度下的場效應載流子遷移率；（d）- （f）當HfO2約為8 nm厚時的轉移特性曲線和多個器件的性能統(tǒng)計。
圖四、短溝道器件電學性能
（a）- （b）50 nm溝道的SEM圖和轉移特性曲線；（c）-（d）14 nm溝道的SEM圖和轉移特性曲線；（e）短溝道器件在不同漏源電壓下的開關比。
圖五、PEN柔性襯底上器件的電學性能
（a）器件顯微鏡圖和照片；（b）柔性襯底上器件的轉移特性曲線。
【小結】
文章提出了簡單可靠的方法實現高性能短溝道單層MoS2場效應管。實現了超薄金屬氧化層與單層二維半導體的結合，增強了柵極對溝道和接觸電阻的調控。這一方法不僅能夠用于電子器件研究中，也可以用于研究材料在高摻雜和高電場下的物理特性。
展開 另外，器件的設計和操作簡單，與現有的硅場效應管類似，而且從原理上來說對于n或p型半導體均適用，因此對使用單層二維材料生產高性能集成電路的可行性提供了重要的依據。研究成果以Monolayer Molybdenum Disulfide Transistors with Single-Atom-Thick Gates為題于近期發(fā)表在Nano Letters上。
【圖文導讀】
圖一、器件結構 和顯微鏡表征
（a）器件結構示意圖；（b）MoS2/HfO2/Gr結構的光學顯微鏡圖；（c）MoS2/HfO2/Gr結構的拉曼光譜；（d）器件的SEM圖；（e）器件的AFM圖。
圖二、HfO2 電學性能，以及MoS2-Ni接觸電阻表征
（a）擊穿電壓測試；（b）擊穿電場與氧化層厚度的關系；（c）-（d）HfO2電介常數測試；（e）接觸電阻對于性能的影響；（f）接觸電阻隨柵極電壓的變化。
圖三、器件電學性能表征
（a）-（c）當HfO2約為16 nm厚時的器件輸出特性曲線，轉移特性曲線和不同溝道長度下的場效應載流子遷移率；（d）- （f）當HfO2約為8 nm厚時的轉移特性曲線和多個器件的性能統(tǒng)計。
圖四、短溝道器件電學性能
（a）- （b）50 nm溝道的SEM圖和轉移特性曲線；（c）-（d）14 nm溝道的SEM圖和轉移特性曲線；（e）短溝道器件在不同漏源電壓下的開關比。
圖五、PEN柔性襯底上器件的電學性能
（a）器件顯微鏡圖和照片；（b）柔性襯底上器件的轉移特性曲線。
【小結】
文章提出了簡單可靠的方法實現高性能短溝道單層MoS2場效應管。實現了超薄金屬氧化層與單層二維半導體的結合，增強了柵極對溝道和接觸電阻的調控。這一方法不僅能夠用于電子器件研究中，也可以用于研究材料在高摻雜和高電場下的物理特性。
展開 據介紹，該公司是全球首家量產GaN-on-SiC-on-Si層疊結構器件的企業(yè)。即使采用廉價的硅襯底，該結構的2DEG依舊可以達到2110 cm2/V-s ，相比硅基GaN提升了20%，很好地解決SiC基GaN成本高、硅基GaN性能差等問題，大幅降低GaN器件成本，從而有望加速5G通信的普及。
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成本太高、性能太差
傳統(tǒng)結構挑戰(zhàn)多多
眾所周知，GaN器件具備高功率密度和高電子飽和速度等優(yōu)點，因此在射頻、微波和毫米波應用領域非常有競爭力。但是GaN器件要打入這些領域還存在多重挑戰(zhàn)。
首先，碳化硅和氮化鎵襯底生產成本太高，盡管SiC襯底GaN高頻晶體管已經投入實際應用，但僅限于高端基站使用，很難進行廣泛商業(yè)化。
其次，雖然硅襯底GaN器件具有潛力，6英寸硅襯底GaN高頻晶體管的開發(fā)和商業(yè)化也取得了 一定的進展。但由于存在高熱失配(33%) 和晶格失配(17%) ，因此很難在硅襯底上生長高質量、無裂紋的GaN外延層，導致晶體管在工作過程中一旦發(fā)熱，絕緣性能會變差，能量損失會增加。
還有，硅基GaN器件還存在硅襯底電阻率低的問題，這會帶來高寄生電容，從而阻礙器件的高頻性能。
層疊GaN結構
提高質量、減少泄漏
為此，
2004
年
空氣水集團開始創(chuàng)建一種
層疊GaN結構技術。
展開 
襯底器件的最新內容
從產業(yè)鏈來看，SiC產業(yè)鏈條較長，涉及襯底、外延、器件設計、器件制造和封測等一系列環(huán)節(jié)，各個環(huán)節(jié)的專業(yè)性要求較強，同時對技術和資本投入的要求也很高。
利用智慧芽研發(fā)情報庫可以看到，該方案包括基底、臺面結構、電極、介電層，以及介電層上圍繞臺面結構的導電接地平面，可將電壓施加到微型器件轉移頭和頭陣列以從載體襯底拾取微型器件并將微型器件釋放到接收襯底上。
圖：蘋果技術方案展示（來源：智慧芽研發(fā)情報庫）
蘋果全彩顯示技術早有布局
在全彩顯示領域，主要有三條技術路線：RGB三色LED法、波長轉換法和3D納米線法。
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院Erp
等
通過在半導體襯底上電子器件和微流體的協(xié)同設計，研制出一種效率遠超現有技術的單片集成微流道冷卻結構，其研究結果表明該散熱技術可以在只消耗0.57 W泵功的條件下實現1700 W/c
m2
的熱量排散．
4.2 基于微機電系統(tǒng)的射流與噴霧冷卻技術
襯底材料
金剛石還可以作為GaN功率器件的襯底，以幫助其散熱，實現更高頻率和更高功率。從2008年開始，歐盟投入資金推動化學氣相沉積方法（CVD）在GaN器件背面生長金剛石。
SiC 生產過程主要包括碳化 硅單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟，對應的是碳化硅產業(yè)鏈襯底、外延、器件三大環(huán)節(jié)。
1. 襯底
襯底是所有半導體芯片的底層材料，主要起到物理支撐、導熱及導電作用，碳化硅襯底主要包括導電型和
半絕緣型兩類，二者在外延層及下游應用場景不同。
碳化硅襯底一般用于射頻器件；硅襯底一般用于功率器件；藍寶石襯底一般用于制造藍光LED。
那么為什么要發(fā)展第三代半導體呢？
首先，第三代半導體是開啟5G、人工智能、萬物互聯(lián)，支撐智能社會發(fā)展的核心。
可以為移動通信、衛(wèi)星通信提供峰值10Gbps以上的帶寬、毫秒級時延和超高密度鏈接的核心器件；為移動終端、智能設備提供低能耗、小型化、便攜式的供電系統(tǒng)。
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車廠和零部件廠圍繞碳化硅的布局進展：
資料來源：SOHU汽車研究室
以碳化硅為襯底的產業(yè)鏈主要分為襯底、外延和器件三個環(huán)節(jié)。
由于目前碳化硅芯片成本結構中60%-70%是襯底和外延片，其中襯底約占40%-50%, 因此掌握襯底工藝和產能的企業(yè)在競爭中具有優(yōu)勢。
目前，蘇州工業(yè)園第三代半導體相關企業(yè)共9家，涵蓋襯底、外延、器件等環(huán)節(jié)。
圖6.蘇州工業(yè)園區(qū)第三代半導體產業(yè)鏈（來源：DeepTech）
第三代半導體材料典型企業(yè)：
1）山東天岳：山東天岳是中國SiC半絕緣襯底龍頭企業(yè)，也是第三代半導體材料領域第一家上市企業(yè)。截至2021年底，山東天岳SiC襯底產能約為50000片/年，襯底尺寸主要為4英寸。
廣汽自2013年起就開始研發(fā)和布局電機控制器領域，近年來更是在碳化硅領域加碼，在襯底、器件及模塊領域均有投資。
據行家說《2022碳化硅（SiC）產業(yè)調研白皮書》統(tǒng)計，廣汽集團已先后投資了SiC襯底廠商天岳先進以及基本半導體等SiC器件和模塊廠商。
而硅基OLED微顯示器以單晶硅為襯底（OLED器件結構中的基板），集成CMOS驅動電路，是一種結合了半導體與OLED的微顯示器技術。
南京昀光科技有限公司 創(chuàng)始人兼CEO
季淵博士表示：“硅基OLED依托半導體工藝成熟發(fā)展，將像素點直接置于硅晶圓上，而不是玻璃基版，因此像素尺寸可以做到更小，像素密度更高。”
