Жартылай өткізгіштер өндірісіне арналған негізгі шикізат: пластина негіздерінің түрлері

Жартылай өткізгіш құрылғылардағы негізгі материалдар ретінде пластина негіздері

Пластиналы негіздер жартылай өткізгіш құрылғылардың физикалық тасымалдаушылары болып табылады, ал олардың материалдық қасиеттері құрылғының өнімділігін, құнын және қолдану салаларын тікелей анықтайды. Төменде пластиналы негіздерінің негізгі түрлері және олардың артықшылықтары мен кемшіліктері келтірілген:

1.Кремний (Si)

• Нарық үлесі:Әлемдік жартылай өткізгіштер нарығының 95%-дан астамын құрайды.

• Артықшылықтары:

  • Төмен баға:Шикізаттың мол қоры (кремний диоксиді), жетілген өндірістік процестер және ауқымды үнемдеу.

  • Жоғары процестік үйлесімділік:CMOS технологиясы өте жетілген, озық түйіндерді (мысалы, 3 нм) қолдайды.

  • Керемет кристалдық сапа:Ақау тығыздығы төмен, үлкен диаметрлі (негізінен 12 дюймдік, 18 дюймдік даму үстіндегі) пластиналарды өсіруге болады.

  • Тұрақты механикалық қасиеттер:Кесу, жылтырату және өңдеу оңай.

• Кемшіліктері:

  • Тар тыйым салынған аймақ (1,12 эВ):Жоғары температурада жоғары ағып кету тогы, бұл қуат құрылғысының тиімділігін шектейді.

  • Жанама тыйым салынған аймақ:Жарық шығару тиімділігі өте төмен, жарықдиодты шамдар мен лазерлер сияқты оптоэлектронды құрылғыларға жарамсыз.

  • Электрондардың шектеулі қозғалғыштығы:Құрама жартылай өткізгіштермен салыстырғанда жоғары жиілікті өнімділігі төмен.
    

2.Галлий арсениді (GaAs)

• Қолданбалар:Жоғары жиілікті радиожиілікті құрылғылар (5G/6G), оптоэлектрондық құрылғылар (лазерлер, күн батареялары).

• Артықшылықтары:

  • Электрондардың жоғары қозғалғыштығы (кремнийдің 5–6 есе):Миллиметрлік толқындық байланыс сияқты жоғары жылдамдықты, жоғары жиілікті қолданбаларға жарамды.

  • Тікелей тыйым салынған аймақ (1,42 эВ):Жоғары тиімді фотоэлектрлік түрлендіру, инфрақызыл лазерлер мен жарықдиодтардың негізі.

  • Жоғары температураға және радиацияға төзімділік:Аэроғарыштық және қатал орталарға жарамды.

• Кемшіліктері:

  • Жоғары құны:Материал тапшы, кристалдардың өсуі қиын (шығып кетуге бейім), пластина өлшемі шектеулі (негізінен 6 дюйм).

  • Сынғыш механика:Сынуға бейім, бұл өңдеу өнімділігінің төмендеуіне әкеледі.

  • Уыттылық:Мышьяк қатаң өңдеуді және қоршаған ортаны бақылауды қажет етеді.

3. Кремний карбиді (SiC)

• Қолданбалар:Жоғары температуралы және жоғары вольтты қуат құрылғылары (электр көліктерінің инверторлары, зарядтау станциялары), аэроғарыш.

• Артықшылықтары:

  • Кең жолақты саңылау (3,26 эВ):Жоғары ыдырау беріктігі (кремнийдің 10 есесі), жоғары температураға төзімділік (жұмыс температурасы >200 °C).

  • Жоғары жылу өткізгіштік (≈3× кремний):Жылуды тамаша тарату, бұл жүйенің қуат тығыздығын арттыруға мүмкіндік береді.

  • Коммутациялық шығынның төмендігі:Қуатты түрлендіру тиімділігін жақсартады.

• Кемшіліктері:

  • Субстратты дайындаудағы қиындықтар:Кристаллдың баяу өсуі (>1 апта), ақауларды бақылаудың қиындығы (микроқұбырлар, дислокациялар), өте жоғары құны (5–10 есе кремний).

  • Кішкентай пластина өлшемі:Негізінен 4–6 дюйм; 8 дюйм әлі әзірлену үстінде.

  • Өңдеу қиын:Өте қатты (Mohs 9.5), кесу және жылтырату көп уақытты алады.

4. Галлий нитриді (GaN)

• Қолданбалар:Жоғары жиілікті қуат құрылғылары (жылдам зарядтау, 5G базалық станциялары), көк жарықдиодты шамдар/лазерлер.

• Артықшылықтары:

  • Электрондардың аса жоғары қозғалғыштығы + кең тыйым салынған аймақ (3,4 эВ):Жоғары жиілікті (>100 ГГц) және жоғары вольтты өнімділікті біріктіреді.

  • Төмен қарсылық:Құрылғының қуат шығынын азайтады.

  • Гетероэпитаксиспен үйлесімді:Әдетте кремний, сапфир немесе SiC субстраттарында өсіріледі, бұл шығындарды азайтады.

• Кемшіліктері:

  • Монокристаллды жаппай өсіру қиын:Гетероэпитаксия негізгі ағым болып табылады, бірақ тордың сәйкес келмеуі ақауларды тудырады.

  • Жоғары құны:Жергілікті GaN субстраттары өте қымбат (2 дюймдік пластина бірнеше мың АҚШ долларына тұруы мүмкін).

  • Сенімділік қиындықтары:Ағымдағы күйреу сияқты құбылыстар оңтайландыруды қажет етеді.

5. Индий фосфиді (InP)

• Қолданбалар:Жоғары жылдамдықты оптикалық байланыс (лазерлер, фотодетекторлар), терагерцтік құрылғылар.

• Артықшылықтары:

  • Электрондардың аса жоғары қозғалғыштығы:100 ГГц-тен жоғары жұмысты қолдайды, GaAs-тан асып түседі.

  • Толқын ұзындығын сәйкестендірумен тікелей өткізу жолағының аралығы:1,3–1,55 мкм оптикалық талшықты байланысқа арналған негізгі материал.

• Кемшіліктері:

  • Сынғыш және өте қымбат:Негіздің құны 100× кремнийден асады, пластина өлшемдері шектеулі (4–6 дюйм).

6. Сапфир (Al₂O₃)

• Қолданбалар:Жарықдиодты жарықтандыру (GaN эпитаксиалды субстраты), тұтынушылық электрониканың әйнегі.

• Артықшылықтары:

  • Төмен баға:SiC/GaN субстраттарына қарағанда әлдеқайда арзан.

  • Тамаша химиялық тұрақтылық:Коррозияға төзімді, жоғары оқшаулағыштыққа ие.

  • Ашықтық:Тік жарықдиодты құрылымдарға жарамды.

• Кемшіліктері:

  • GaN-мен үлкен торлы сәйкессіздік (>13%):Буфер қабаттарын қажет ететін жоғары ақау тығыздығын тудырады.

  • Жылу өткізгіштігі нашар (кремнийдің ~1/20 бөлігі):Жоғары қуатты жарықдиодтардың өнімділігін шектейді.

7. Керамикалық негіздер (AlN, BeO және т.б.)

• Қолданбалар:Жоғары қуатты модульдерге арналған жылу таратқыштар.

• Артықшылықтары:

  • Оқшаулағыш + жоғары жылу өткізгіштік (AlN: 170–230 Вт/м·К):Жоғары тығыздықтағы қаптамаға жарамды.

• Кемшіліктері:

  • Монокристалды емес:Құрылғының өсуін тікелей қолдай алмайды, тек қаптама субстраттары ретінде қолданылады.

8. Арнайы субстраттар

• SOI (Кремний оқшаулағышы):

  • Құрылымы:Кремний/SiO₂/кремний сэндвичі.

  • Артықшылықтары:Паразиттік сыйымдылықты азайтады, сәулеленуге төзімді, ағып кетуді басады (RF, MEMS жүйелерінде қолданылады).

  • Кемшіліктері:Көлемді кремнийге қарағанда 30-50%-ға қымбатырақ.

• Кварц (SiO₂):Фотомаскалар мен MEMS-те қолданылады; жоғары температураға төзімді, бірақ өте сынғыш.

• Алмаз:Ең жоғары жылу өткізгіштікке ие субстрат (>2000 Вт/м·К), жылуды шамадан тыс тарату үшін ғылыми-зерттеу және тәжірибелік-конструкторлық жұмыстар жүргізілуде.

Салыстырмалы қорытынды кестесі

Субстратты таңдаудың негізгі факторлары

• Өнімділік талаптары:GaAs/InP жоғары жиілік үшін; SiC жоғары вольтты, жоғары температура үшін; GaAs/InP/GaN оптоэлектроника үшін.

• Шығын шектеулері:Тұтынушылық электроника кремнийді артық көреді; жоғары деңгейлі салалар SiC/GaN үстемеақыларын ақтай алады.

• Интеграцияның күрделілігі:Кремний CMOS үйлесімділігі үшін алмастырылмайтын болып қала береді.

• Жылуды басқару:Жоғары қуатты қолданбалар SiC немесе гауһар негізіндегі GaN-ды қалайды.

• Жеткізу тізбегінің жетілуі:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Болашақ үрдіс

Гетерогенді интеграция (мысалы, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) өнімділік пен шығынды теңестіреді, 5G, электр көліктері және кванттық есептеулер саласындағы жетістіктерді алға жылжытады.