Lëndët e para kryesore për prodhimin e gjysmëpërçuesve: Llojet e substrateve të pllakave

Substratet e pllakave si materiale kyçe në pajisjet gjysmëpërçuese

Substratet e pllakave janë bartësit fizikë të pajisjeve gjysmëpërçuese dhe vetitë e tyre materiale përcaktojnë drejtpërdrejt performancën e pajisjes, koston dhe fushat e aplikimit. Më poshtë janë llojet kryesore të substrateve të pllakave së bashku me avantazhet dhe disavantazhet e tyre:

1.Silic (Si)

• Pjesa e tregut:Përbën më shumë se 95% të tregut global të gjysmëpërçuesve.

• Avantazhet:

  • Kosto e ulët:Lëndë të para të bollshme (dioksid silikoni), procese prodhimi të zhvilluara dhe ekonomi të forta shkalle.

  • Përputhshmëri e lartë e procesit:Teknologjia CMOS është shumë e zhvilluar, duke mbështetur nyje të përparuara (p.sh., 3nm).

  • Cilësi e shkëlqyer e kristalit:Mund të rriten napolitana me diametër të madh (kryesisht 12 inç, 18 inç në zhvillim e sipër) me dendësi të ulët defektesh.

  • Vetitë mekanike të qëndrueshme:E lehtë për t’u prerë, për t’u lëmuar dhe për t’u trajtuar.

• Disavantazhet:

  • Hapësirë ​​e ngushtë e brezit (1.12 eV):Rrymë e lartë rrjedhjeje në temperatura të larta, duke kufizuar efikasitetin e pajisjes së energjisë.

  • Hendeku i tërthortë i brezit:Efikasitet shumë i ulët i emetimit të dritës, i papërshtatshëm për pajisjet optoelektronike siç janë LED-et dhe lazerët.

  • Lëvizshmëri e kufizuar e elektroneve:Performancë më e dobët në frekuencë të lartë krahasuar me gjysmëpërçuesit e përbërë.
    

2.Arsenid galiumi (GaAs)

• Aplikimet:Pajisje RF me frekuencë të lartë (5G/6G), pajisje optoelektronike (lazerë, qeliza diellore).

• Avantazhet:

  • Lëvizshmëri e lartë e elektroneve (5–6 herë më e lartë se ajo e silikonit):I përshtatshëm për aplikime me shpejtësi të lartë dhe frekuencë të lartë, siç është komunikimi me valë milimetrike.

  • Hapësira e drejtpërdrejtë e brezit (1.42 eV):Konvertimi fotoelektrik me efikasitet të lartë, themeli i lazerëve infra të kuq dhe LED-ve.

  • Rezistencë ndaj temperaturave të larta dhe rrezatimit:I përshtatshëm për hapësirën ajrore dhe mjedise të ashpra.

• Disavantazhet:

  • Kosto e lartë:Material i pakët, rritje e vështirë e kristaleve (e prirur ndaj zhvendosjeve), madhësi e kufizuar e napolitanës (kryesisht 6 inç).

  • Mekanika e brishtë:I prirur ndaj thyerjes, duke rezultuar në rendiment të ulët përpunimi.

  • Toksiciteti:Arseniku kërkon trajtim të rreptë dhe kontrolle mjedisore.

3. Karbid silikoni (SiC)

• Aplikimet:Pajisje energjie me temperaturë të lartë dhe tension të lartë (invertorë EV, stacione karikimi), hapësirë ​​ajrore.

• Avantazhet:

  • Hapësirë ​​e gjerë e brezit (3.26 eV):Rezistencë e lartë ndaj prishjes (10 herë më e lartë se ajo e silikonit), tolerancë ndaj temperaturave të larta (temperatura e funksionimit >200 °C).

  • Përçueshmëri e lartë termike (≈3× silic):Shpërndarje e shkëlqyer e nxehtësisë, duke mundësuar dendësi më të lartë të fuqisë së sistemit.

  • Humbje e ulët e ndërrimit:Përmirëson efikasitetin e konvertimit të energjisë.

• Disavantazhet:

  • Përgatitja e substratit sfiduese:Rritje e ngadaltë e kristalit (>1 javë), kontroll i vështirë i defekteve (mikrotuba, zhvendosje), kosto jashtëzakonisht e lartë (5–10× silic).

  • Madhësia e vogël e fletës së ngjitjes:Kryesisht 4–6 inç; 8 inç është ende në zhvillim e sipër.

  • Vështirë për t’u përpunuar:Shumë e fortë (Mohs 9.5), duke e bërë prerjen dhe lustrimin kohëzgjatës.

4. Nitrid galiumi (GaN)

• Aplikimet:Pajisje me frekuencë të lartë të energjisë (karikim i shpejtë, stacione bazë 5G), LED/lazerë blu.

• Avantazhet:

  • Lëvizshmëri ultra e lartë e elektroneve + boshllëk i gjerë i brezit (3.4 eV):Kombinon performancën e frekuencës së lartë (>100 GHz) dhe tensionit të lartë.

  • Rezistencë e ulët ndaj ndezjes:Zvogëlon humbjen e energjisë së pajisjes.

  • Heteroepitaksi e pajtueshme:Zakonisht kultivohet në substrate silikoni, safiri ose SiC, duke ulur koston.

• Disavantazhet:

  • Rritja e kristaleve të vetme në masë është e vështirë:Heteroepitaksia është kryesore, por mospërputhja e rrjetës sjell defekte.

  • Kosto e lartë:Substratet native të GaN janë shumë të shtrenjta (një pllakë 2 inç mund të kushtojë disa mijëra dollarë amerikanë).

  • Sfidat e besueshmërisë:Fenomene të tilla si kolapsi aktual kërkojnë optimizim.

5. Fosfidi i Indiumit (InP)

• Aplikimet:Komunikime optike me shpejtësi të lartë (lazerë, fotodetektorë), pajisje teraherc.

• Avantazhet:

  • Lëvizshmëri ultra e lartë e elektroneve:Mbështet funksionimin >100 GHz, duke tejkaluar GaAs.

  • Hapësirë ​​e drejtpërdrejtë e brezit me përputhje të gjatësisë së valës:Materiali bazë për komunikime me fibra optike 1.3–1.55 μm.

• Disavantazhet:

  • I brishtë dhe shumë i shtrenjtë:Kostoja e substratit tejkalon 100× silikon, madhësi të kufizuara të pllakave (4–6 inç).

6. Safir (Al₂O₃)

• Aplikimet:Ndriçim LED (substrat epitaksial GaN), mbulesë qelqi për elektronikën e konsumit.

• Avantazhet:

  • Kosto e ulët:Shumë më lirë se substratet SiC/GaN.

  • Stabilitet i shkëlqyer kimik:Rezistent ndaj korrozionit, izolues i lartë.

  • Transparenca:I përshtatshëm për strukturat vertikale LED.

• Disavantazhet:

  • Mospërputhje e madhe e rrjetës me GaN (>13%):Shkakton dendësi të lartë defektesh, duke kërkuar shtresa tampon.

  • Përçueshmëri e dobët termike (~1/20 e silikonit):Kufizon performancën e LED-ve me fuqi të lartë.

7. Substrate qeramike (AlN, BeO, etj.)

• Aplikimet:Shpërndarës të nxehtësisë për module me fuqi të lartë.

• Avantazhet:

  • Izolues + përçueshmëri e lartë termike (AlN: 170–230 W/m·K):I përshtatshëm për paketim me dendësi të lartë.

• Disavantazhet:

  • Jo-kristal i vetëm:Nuk mund të mbështesë drejtpërdrejt rritjen e pajisjes, përdoret vetëm si substrate paketimi.

8. Substrate të Veçanta

• SOI (Silikon mbi Izolator):

  • Struktura:Sanduiç silikon/SiO₂/silikon.

  • Avantazhet:Zvogëlon kapacitetin parazitar, të ngurtësuar nga rrezatimi, shtypjen e rrjedhjeve (përdoret në RF, MEMS).

  • Disavantazhet:30-50% më i shtrenjtë se silici në masë.

• Kuarc (SiO₂):Përdoret në fotomaska ​​dhe MEMS; rezistente ndaj temperaturave të larta, por shumë e brishtë.

• Diamant:Substrati me përçueshmërinë më të lartë termike (>2000 W/m·K), nën kërkim-zhvillim për shpërndarje ekstreme të nxehtësisë.

Tabela Përmbledhëse Krahasuese

Faktorët kryesorë për përzgjedhjen e substratit

• Kërkesat e performancës:GaAs/InP për frekuencë të lartë; SiC për tension të lartë, temperaturë të lartë; GaAs/InP/GaN për optoelektronikë.

• Kufizimet e kostos:Pajisjet elektronike të konsumit favorizojnë silikonin; fushat e nivelit të lartë mund të justifikojnë çmimet e larta të SiC/GaN.

• Kompleksiteti i integrimit:Silici mbetet i pazëvendësueshëm për kompatibilitetin CMOS.

• Menaxhimi termik:Aplikimet me fuqi të lartë preferojnë SiC ose GaN me bazë diamanti.

• Pjekuria e zinxhirit të furnizimit:Si > Safir > GaAs > SiC > GaN > InP.

Trendi i së ardhmes

Integrimi heterogjen (p.sh., GaN-mbi-Si, GaN-mbi-SiC) do të balancojë performancën dhe koston, duke nxitur përparime në 5G, automjete elektrike dhe informatikë kuantike.