Galvenās izejvielas pusvadītāju ražošanai: vafeļu substrātu veidi

Vafeļu substrāti kā galvenie materiāli pusvadītāju ierīcēs

Plākšņu substrāti ir pusvadītāju ierīču fiziskie nesēji, un to materiālu īpašības tieši nosaka ierīces veiktspēju, izmaksas un pielietojuma jomas. Tālāk ir norādīti galvenie plākšņu substrātu veidi, kā arī to priekšrocības un trūkumi:

1.Silīcijs (Si)

• Tirgus daļa:Veido vairāk nekā 95% no pasaules pusvadītāju tirgus.

• Priekšrocības:

  • Zemas izmaksas:Bagātīgas izejvielas (silīcija dioksīds), nobrieduši ražošanas procesi un spēcīga apjomradīta ekonomija.

  • Augsta procesu saderība:CMOS tehnoloģija ir ļoti nobriedusi, atbalstot progresīvus mezglus (piemēram, 3 nm).

  • Lieliska kristāla kvalitāte:Var audzēt liela diametra vafeles (galvenokārt 12 collu, 18 collu izstrādes stadijā) ar zemu defektu blīvumu.

  • Stabilas mehāniskās īpašības:Viegli griezt, pulēt un apstrādāt.

• Trūkumi:

  • Šaura joslas sprauga (1,12 eV):Augsta noplūdes strāva paaugstinātā temperatūrā, kas ierobežo jaudas ierīces efektivitāti.

  • Netiešā joslas sprauga:Ļoti zema gaismas emisijas efektivitāte, nepiemērota optoelektroniskām ierīcēm, piemēram, gaismas diodēm un lāzeriem.

  • Ierobežota elektronu mobilitāte:Zemāka augstfrekvences veiktspēja salīdzinājumā ar saliktiem pusvadītājiem.
    

2.Gallija arsenīds (GaAs)

• Lietojumi:Augstas frekvences radiofrekvenču (RF) ierīces (5G/6G), optoelektroniskās ierīces (lāzeri, saules baterijas).

• Priekšrocības:

  • Augsta elektronu mobilitāte (5–6 × nekā silīcijam):Piemērots ātrdarbīgām, augstfrekvences lietojumprogrammām, piemēram, milimetru viļņu sakariem.

  • Tiešā joslas sprauga (1,42 eV):Augstas efektivitātes fotoelektriskā konversija, infrasarkano lāzeru un gaismas diožu pamats.

  • Augsta temperatūras un starojuma izturība:Piemērots kosmosam un skarbiem apstākļiem.

• Trūkumi:

  • Augstas izmaksas:Ierobežots materiāls, sarežģīta kristālu augšana (tieksme uz dislokācijām), ierobežots vafeļu izmērs (galvenokārt 6 collas).

  • Trausla mehānika:Nosliece uz lūzumiem, kā rezultātā apstrādes raža ir zema.

  • Toksicitāte:Arsēns prasa stingru apiešanos un vides kontroli.

3. Silīcija karbīds (SiC)

• Lietojumi:Augstas temperatūras un augstsprieguma barošanas ierīces (EV invertori, uzlādes stacijas), kosmosa rūpniecība.

• Priekšrocības:

  • Plata joslas sprauga (3,26 eV):Augsta izturība pret sabrukšanu (10 reizes lielāka nekā silīcijam), augsta temperatūras tolerance (darba temperatūra > 200 °C).

  • Augsta siltumvadītspēja (≈3× silīcijs):Lieliska siltuma izkliede, kas nodrošina lielāku sistēmas jaudas blīvumu.

  • Zemi pārslēgšanas zudumi:Uzlabo jaudas pārveidošanas efektivitāti.

• Trūkumi:

  • Sarežģīta substrāta sagatavošana:Lēna kristālu augšana (>1 nedēļa), sarežģīta defektu kontrole (mikrocaurules, dislokācijas), ārkārtīgi augstas izmaksas (5–10× silīcijs).

  • Mazs vafeļu izmērs:Galvenokārt 4–6 collas; 8 collas vēl tiek izstrādātas.

  • Grūti apstrādājams:Ļoti ciets (pēc Mosa skalas 9,5), tāpēc griešana un pulēšana ir laikietilpīga.

4. Gallija nitrīds (GaN)

• Lietojumi:Augstas frekvences barošanas ierīces (ātrās uzlādes ierīces, 5G bāzes stacijas), zilas gaismas diodes/lāzeri.

• Priekšrocības:

  • Īpaši augsta elektronu mobilitāte + plata joslas sprauga (3,4 eV):Apvieno augstfrekvences (>100 GHz) un augstsprieguma veiktspēju.

  • Zema ieslēgšanās pretestība:Samazina ierīces jaudas zudumus.

  • Saderīgs ar heteroepitaksiju:Parasti audzē uz silīcija, safīra vai SiC substrātiem, tādējādi samazinot izmaksas.

• Trūkumi:

  • Monokristālu audzēšana masveidā ir sarežģīta:Heteroepitaksija ir galvenā tendence, bet režģa nesakritība rada defektus.

  • Augstas izmaksas:Vietējie GaN substrāti ir ļoti dārgi (2 collu vafele var maksāt vairākus tūkstošus ASV dolāru).

  • Uzticamības izaicinājumi:Tādas parādības kā strāvas sabrukums prasa optimizāciju.

5. Indija fosfīds (InP)

• Lietojumi:Ātrdarbīgas optiskās komunikācijas (lāzeri, fotodetektori), terahercu ierīces.

• Priekšrocības:

  • Īpaši augsta elektronu mobilitāte:Atbalsta darbību >100 GHz, pārspējot GaAs veiktspēju.

  • Tieša joslas sprauga ar viļņu garuma saskaņošanu:1,3–1,55 μm optisko šķiedru sakaru serdes materiāls.

• Trūkumi:

  • Trausls un ļoti dārgs:Substrāta izmaksas pārsniedz 100 × silīciju, ierobežoti vafeļu izmēri (4–6 collas).

6. Safīrs (Al₂O₃)

• Lietojumi:LED apgaismojums (GaN epitaksiāls substrāts), plaša patēriņa elektronikas pārklājuma stikls.

• Priekšrocības:

  • Zemas izmaksas:Daudz lētāk nekā SiC/GaN substrāti.

  • Lieliska ķīmiskā stabilitāte:Korozijizturīgs, ar augstu izolācijas spēju.

  • Caurspīdīgums:Piemērots vertikālām LED konstrukcijām.

• Trūkumi:

  • Liela režģa neatbilstība ar GaN (>13%):Izraisa augstu defektu blīvumu, kam nepieciešami bufera slāņi.

  • Slikta siltumvadītspēja (~1/20 silīcija):Ierobežo lieljaudas gaismas diožu veiktspēju.

7. Keramikas substrāti (AlN, BeO u. c.)

• Lietojumi:Siltuma izkliedētāji lieljaudas moduļiem.

• Priekšrocības:

  • Izolācija + augsta siltumvadītspēja (AlN: 170–230 W/m·K):Piemērots augsta blīvuma iepakojumam.

• Trūkumi:

  • Ne-monokristāls:Nevar tieši atbalstīt ierīces augšanu, tiek izmantots tikai kā iepakojuma substrāts.

8. Īpaši substrāti

• SOI (silīcijs uz izolatora):

  • Struktūra:Silīcija/SiO₂/silīcija sviestmaize.

  • Priekšrocības:Samazina parazitāro kapacitāti, ir izturīgs pret radiāciju, novērš noplūdes (izmanto RF, MEMS).

  • Trūkumi:Par 30–50 % dārgāks nekā silīcijs bez taras.

• Kvarcs (SiO₂):Izmanto fotomaskās un MEMS; izturīgs pret augstu temperatūru, bet ļoti trausls.

• Dimants:Augstākās siltumvadītspējas substrāts (>2000 W/m·K), tiek pētīts un attīstīts ārkārtīgi lielai siltuma izkliedei.

Salīdzinošās kopsavilkuma tabula

Galvenie faktori substrāta izvēlē

• Veiktspējas prasības:GaAs/InP augstfrekvences vajadzībām; SiC augstsprieguma un augstas temperatūras vajadzībām; GaAs/InP/GaN optoelektronikai.

• Izmaksu ierobežojumi:Patēriņa elektronika dod priekšroku silīcijam; augstas klases nozares var attaisnot SiC/GaN piemaksas.

• Integrācijas sarežģītība:Silīcijs joprojām ir neaizstājams CMOS saderībai.

• Termiskā pārvaldība:Lieljaudas lietojumprogrammās priekšroka tiek dota SiC vai dimanta bāzes GaN.

• Piegādes ķēdes briedums:Si > Safīrs > GaAs > SiC > GaN > InP.

Nākotnes tendences

Heterogēna integrācija (piemēram, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) līdzsvaros veiktspēju un izmaksas, veicinot progresu 5G, elektrotransportlīdzekļu un kvantu skaitļošanas jomā.