Жартылай өткізгіш өндірісінің негізгі шикізаттары: пластинкалардың түрлері

Вафельді субстраттар жартылай өткізгіш құрылғылардағы негізгі материалдар ретінде

Вафельді субстраттар жартылай өткізгіш құрылғылардың физикалық тасымалдаушылары болып табылады және олардың материалдық қасиеттері құрылғының өнімділігін, құнын және қолдану өрістерін тікелей анықтайды. Төменде вафельді субстраттардың 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 молдығы (кремний диоксиді), жетілген өндірістік процестер және ауқымды үнемдеу.

  • Жоғары процесс үйлесімділігі:CMOS технологиясы жетілдірілген түйіндерді (мысалы, 3 нм) қолдайды.

  • Тамаша кристалл сапасы:Ақаудың тығыздығы төмен үлкен диаметрлі пластиналарды (негізінен 12 дюйм, 18 дюйм әзірлену үстінде) өсіруге болады.

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

• Кемшіліктері:

  • Тар жолақ (1,12 эВ):Қуат құрылғысының тиімділігін шектейтін жоғары температура кезінде жоғары ағып кету тогы.

  • Жанама диапазон:Жарық шығару тиімділігі өте төмен, жарық диодтары мен лазерлер сияқты оптоэлектронды құрылғыларға жарамсыз.

  • Шектеулі электрондардың қозғалғыштығы:Құрама жартылай өткізгіштермен салыстырғанда жоғары жиілікті төмен өнімділік.
    

2.Галий арсениді (GaAs)

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

• Артықшылықтары:

  • Жоғары электрон қозғалғыштығы (кремнийдікінен 5–6×):Миллиметрлік толқын байланысы сияқты жоғары жылдамдықты, жоғары жиілікті қолданбалар үшін қолайлы.

  • Тікелей өткізу жолағы (1,42 эВ):Жоғары тиімді фотоэлектрлік түрлендіру, инфрақызыл лазерлер мен жарықдиодтардың негізі.

  • Жоғары температура мен радиацияға төзімділік:Аэроғарыштық және қатал орталар үшін қолайлы.

• Кемшіліктері:

  • Жоғары құны:Материал тапшы, кристалдардың өсуі қиын (дислокацияға бейім), вафлидің шектеулі мөлшері (негізінен 6 дюйм).

  • Сынғыш механика:Сынуға бейім, нәтижесінде өңдеу өнімділігі төмен.

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

3. Кремний карбиді (SiC)

• Қолданбалар:Жоғары температуралық және жоғары вольтты қуат құрылғылары (ЭВ инверторлары, зарядтау станциялары), аэроғарыштық.

• Артықшылықтары:

  • Кең диапазон (3,26 эВ):Жоғары бұзылу беріктігі (кремнийдікі 10 ×), жоғары температураға төзімділік (жұмыс температурасы >200 °C).

  • Жоғары жылу өткізгіштік (≈3× кремний):Жүйенің жоғарырақ қуат тығыздығын қамтамасыз ететін тамаша жылу диссипациясы.

  • Төмен коммутация жоғалуы:Қуатты түрлендіру тиімділігін арттырады.

• Кемшіліктері:

  • Күрделі субстратты дайындау:Кристалдың баяу өсуі (>1 апта), ақауларды бақылау қиын (микроқұбырлар, дислокациялар), өте жоғары құны (5–10× кремний).

  • Кішкентай вафли мөлшері:Негізінен 4-6 дюйм; 8 дюймдік әлі әзірлену үстінде.

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

4. Галий нитриді (GaN)

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

• Артықшылықтары:

  • Ультра жоғары электрондардың қозғалғыштығы + кең диапазон (3,4 эВ):Жоғары жиілікті (>100 ГГц) және жоғары вольтты өнімділікті біріктіреді.

  • Төмен қарсылық:Құрылғының қуат жоғалуын азайтады.

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

• Кемшіліктері:

  • Бір кристалды жаппай өсіру қиын:Гетероэпитаксия негізгі ағым болып табылады, бірақ тордың сәйкессіздігі ақауларды тудырады.

  • Жоғары құны:Жергілікті GaN субстраттары өте қымбат (2 дюймдік пластинаның құны бірнеше мың АҚШ доллары болуы мүмкін).

  • Сенімділік мәселелері:Ағымдағы құлдырау сияқты құбылыстар оңтайландыруды қажет етеді.

5. Индий фосфиді (InP)

• Қолданбалар:Жоғары жылдамдықты оптикалық байланыстар (лазерлер, фотодетекторлар), терагерц құрылғылары.

• Артықшылықтары:

  • Өте жоғары электрондардың қозғалғыштығы:>100 ГГц жұмысты қолдайды, GaA-дан асып түседі.

  • Толқын ұзындығы сәйкес келетін тікелей жолақ:1,3–1,55 мкм оптикалық талшықты байланыстарға арналған негізгі материал.

• Кемшіліктері:

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

6. Сапфир (Al₂O₃)

• Қолданбалар:Жарықдиодты жарықтандыру (GaN эпитаксиалды субстрат), тұрмыстық электрониканың қақпағы шыны.

• Артықшылықтары:

  • Төмен баға:SiC/GaN субстраттарынан әлдеқайда арзан.

  • Өте жақсы химиялық тұрақтылық:Коррозияға төзімді, жоғары оқшаулау.

  • Мөлдірлік:Тік жарықдиодты құрылымдар үшін қолайлы.

• Кемшіліктері:

  • GaN-мен үлкен тор сәйкессіздігі (>13%):Буферлік қабаттарды қажет ететін ақаулардың жоғары тығыздығын тудырады.

  • Нашар жылу өткізгіштік (~1/20 кремний):Жоғары қуатты жарық диодтарының өнімділігін шектейді.

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

• Қолданбалар:Жоғары қуатты модульдерге арналған жылу таратқыштар.

• Артықшылықтары:

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

• Кемшіліктері:

  • Бір кристалды емес:Құрылғының өсуіне тікелей қолдау көрсете алмайды, тек қаптама субстраттары ретінде пайдаланылады.

8. Арнайы субстраттар

• SOI (изолятордағы кремний):

  • Құрылымы:Кремний/SiO₂/кремний сэндвичі.

  • Артықшылықтары:Паразиттік сыйымдылықты төмендетеді, радиациямен шыңдалған, ағып кетуді басады (RF, MEMS қолданылады).

  • Кемшіліктері:Сусымалы кремнийден 30-50% қымбат.

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

• Алмаз:Ең жоғары жылуөткізгіштік субстрат (>2000 Вт/м·К), ҒЗТКЖ аясында төтенше жылуды диссипациялау үшін.

Салыстырмалы жиынтық кесте

Субстрат таңдаудың негізгі факторлары

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

• Шығын шектеулері:Тұрмыстық электроника кремнийді жақсы көреді; жоғары деңгейлі өрістер SiC/GaN сыйақыларын негіздей алады.

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

• Жылулық басқару:Жоғары қуатты қолданбалар SiC немесе гауһар негізіндегі GaN-ді қалайды.

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

Болашақ тренд

Гетерогенді интеграция (мысалы, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) өнімділік пен құнды, 5G, электрлік көліктер мен кванттық есептеулердегі жетістіктерді теңестіреді.