Puolijohteiden tuotannon keskeiset raaka-aineet: kiekkojen alustojen tyypit

Kiekkosubstraatit puolijohdelaitteiden avainmateriaaleina

Kiekkosubstraatit ovat puolijohdelaitteiden fyysisiä kantajia, ja niiden materiaaliominaisuudet määräävät suoraan laitteen suorituskyvyn, kustannukset ja sovellusalueet. Alla on lueteltu kiekkosubstraattien päätyypit sekä niiden edut ja haitat:

1.Pii (Si)

• Markkinaosuus:Yli 95 % maailman puolijohdemarkkinoista.

• Edut:

  • Alhainen hinta:Runsaat raaka-aineet (piidioksidi), kypsät valmistusprosessit ja vahvat mittakaavaedut.

  • Korkea prosessien yhteensopivuus:CMOS-teknologia on erittäin kehittynyttä ja tukee edistyneitä solmuja (esim. 3 nm).

  • Erinomainen kristallinlaatu:Suuriläpimittaisia ​​kiekkoja (pääasiassa 12-tuumaisia, kehitteillä 18-tuumaisia) ja matalavirhetiheyksiä voidaan kasvattaa.

  • Vakaat mekaaniset ominaisuudet:Helppo leikata, kiillottaa ja käsitellä.

• Haittoja:

  • Kapea energiavyö (1,12 eV):Suuri vuotovirta korotetuissa lämpötiloissa, mikä rajoittaa laitteen tehokkuutta.

  • Epäsuora kaistanleveys:Hyvin alhainen valon emissiotehokkuus, ei sovellu optoelektronisiin laitteisiin, kuten LEDeihin ja lasereihin.

  • Rajoitettu elektronien liikkuvuus:Huonompi korkeataajuinen suorituskyky verrattuna yhdistelmäpuolijohteisiin.
    

2.Galliumarsenidi (GaAs)

• Sovellukset:Korkeataajuiset RF-laitteet (5G/6G), optoelektroniset laitteet (laserit, aurinkokennot).

• Edut:

  • Korkea elektronien liikkuvuus (5–6 × piin liikkuvuus):Soveltuu suurnopeuksisiin, korkeataajuisiin sovelluksiin, kuten millimetriaaltotiedonsiirtoon.

  • Suora kaistanaukon (1,42 eV):Tehokas valosähköinen muunnos, infrapunalasereiden ja LEDien perusta.

  • Korkea lämpötilan ja säteilyn kestävyys:Sopii ilmailu- ja avaruuskäyttöön sekä vaativiin olosuhteisiin.

• Haittoja:

  • Korkeat kustannukset:Niukka materiaali, vaikea kiteiden kasvu (altis dislokaatioille), rajallinen kiekkokoko (pääasiassa 6 tuumaa).

  • Hauras mekaniikka:Altis murtumiselle, mikä johtaa alhaiseen prosessointisaantoon.

  • Myrkyllisyys:Arseeni vaatii tiukkaa käsittelyä ja ympäristönsuojelua.

3. Piikarbidi (SiC)

• Sovellukset:Korkean lämpötilan ja korkeajännitteen teholaitteet (sähköautojen invertterit, latausasemat), ilmailu- ja avaruusteollisuus.

• Edut:

  • Leveä kaistavyö (3,26 eV):Korkea läpilyöntilujuus (10 kertaa piin lujuus), korkean lämpötilan sietokyky (käyttölämpötila >200 °C).

  • Korkea lämmönjohtavuus (≈3 × pii):Erinomainen lämmönpoisto, mikä mahdollistaa suuremman järjestelmän tehotiheyden.

  • Pieni kytkentähäviö:Parantaa energianmuunnoksen hyötysuhdetta.

• Haittoja:

  • Haastava alustan valmistelu:Hidas kiteenkasvu (>1 viikko), vaikea virheiden hallinta (mikroputket, dislokaatiot), erittäin korkeat kustannukset (5–10× pii).

  • Pieni kiekkokoko:Pääasiassa 4–6 tuumaa; 8 tuumaa vielä kehitysvaiheessa.

  • Vaikea käsitellä:Erittäin kova (Mohsin aste 9,5), mikä tekee leikkaamisesta ja kiillottamisesta aikaa vievää.

4. Galliumnitridi (GaN)

• Sovellukset:Korkeataajuiset virtalähteet (pikalataus, 5G-tukiasemat), siniset LEDit/laserit.

• Edut:

  • Erittäin korkea elektronien liikkuvuus + laaja kaistavyö (3,4 eV):Yhdistää korkeataajuisen (>100 GHz) ja korkeajännitteisen suorituskyvyn.

  • Alhainen päällekytkentävastus:Vähentää laitteen tehohäviötä.

  • Heteroepitaksian yhteensopiva:Yleisesti kasvatetaan pii-, safiiri- tai piikarbidialustoilla, mikä vähentää kustannuksia.

• Haittoja:

  • Yksittäisten kiteiden massakasvatus on vaikeaa:Heteroepitaksi on valtavirtaa, mutta hilaepäsuhta aiheuttaa virheitä.

  • Korkeat kustannukset:Natiivit GaN-substraatit ovat erittäin kalliita (2-tuumainen kiekko voi maksaa useita tuhansia dollareita).

  • Luotettavuuden haasteet:Ilmiöt, kuten virran romahdus, vaativat optimointia.

5. Indiumfosfidi (InP)

• Sovellukset:Nopeat optiset tietoliikenneyhteydet (laserit, fotodetektorit), terahertsilaitteet.

• Edut:

  • Erittäin korkea elektronien liikkuvuus:Tukee yli 100 GHz:n toimintaa ja ylittää GaAs-suorituskyvyn.

  • Suora kaistanleveys aallonpituuden sovituksella:Ydinmateriaali 1,3–1,55 μm:n optisille kuitutiedonsiirrolle.

• Haittoja:

  • Hauras ja erittäin kallis:Substraatin hinta ylittää 100 × pii, rajoitetut kiekkokoot (4–6 tuumaa).

6. Safiiri (Al₂O₃)

• Sovellukset:LED-valaistus (GaN-epitaksiaalinen substraatti), kulutuselektroniikan suojalasi.

• Edut:

  • Alhainen hinta:Paljon halvempi kuin SiC/GaN-substraatit.

  • Erinomainen kemiallinen stabiilius:Korroosionkestävä, erittäin hyvin eristävä.

  • Läpinäkyvyys:Sopii pystysuorille LED-rakenteille.

• Haittoja:

  • Suuri hilaepäsuhta GaN:n kanssa (>13 %):Aiheuttaa suuren vikatiheyden, mikä vaatii puskurikerroksia.

  • Huono lämmönjohtavuus (~1/20 piistä):Rajoittaa suuritehoisten LEDien suorituskykyä.

7. Keraamiset alustat (AlN, BeO jne.)

• Sovellukset:Lämmönlevittimet suuritehoisille moduuleille.

• Edut:

  • Eristävä + korkea lämmönjohtavuus (AlN: 170–230 W/m·K):Sopii tiheästi pakattaville pakkauksille.

• Haittoja:

  • Ei-yksikiteinen:Ei voi suoraan tukea laitteiden kasvua, käytetään vain pakkausalustoina.

8. Erikoisalustat

• SOI (pii eristeellä):

  • Rakenne:Pii/SiO₂/pii-voileipä.

  • Edut:Vähentää loiskapasitanssia, säteilykestävä, vuotojen esto (käytetään RF:ssä ja MEMS:ssä).

  • Haittoja:30–50 % kalliimpaa kuin irtotavarana oleva pii.

• Kvartsi (SiO₂):Käytetään fotomaskeissa ja MEMS-järjestelmissä; kestää korkeita lämpötiloja, mutta on erittäin hauras.

• Timantti:Korkeimman lämmönjohtavuuden omaava alusta (>2000 W/m·K), tutkimus- ja kehitysvaiheessa äärimmäisen lämmönpoiston takaamiseksi.

Vertaileva yhteenvetotaulukko

Alustan valinnan keskeiset tekijät

• Suorituskykyvaatimukset:GaAs/InP korkeataajuuksiin; SiC korkeajännitteisiin ja korkeisiin lämpötiloihin; GaAs/InP/GaN optoelektroniikkaan.

• Kustannusrajoitukset:Kulutuselektroniikka suosii piitä; huippuluokan kentät voivat perustella SiC/GaN-preemiot.

• Integroinnin monimutkaisuus:Pii on edelleen korvaamaton CMOS-yhteensopivuuden kannalta.

• Lämmönhallinta:Suuritehoisissa sovelluksissa suositaan piikarbidia tai timanttipohjaista GaN:iä.

• Toimitusketjun kypsyys:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Tulevaisuuden trendi

Heterogeeninen integrointi (esim. GaN-on-Si, GaN-on-SiC) tasapainottaa suorituskyvyn ja kustannukset, mikä edistää 5G:n, sähköajoneuvojen ja kvanttilaskennan kehitystä.