Yarımkeçiricilərin istehsalı üçün əsas xammallar: vafli substratların növləri

Yarımkeçirici cihazlarda əsas material kimi vafli substratlar

Vafli substratlar yarımkeçirici cihazların fiziki daşıyıcılarıdır və onların material xüsusiyyətləri cihazın performansını, dəyərini və tətbiq sahələrini birbaşa müəyyənləşdirir. Aşağıda üstünlükləri və mənfi cəhətləri ilə birlikdə vafli substratların əsas növləri verilmişdir:

1.Silikon (Si)

• Bazar payı:Qlobal yarımkeçiricilər bazarının 95%-dən çoxunu təşkil edir.

• Üstünlüklər:

  • Aşağı qiymət:Bol xammal (silikon dioksid), yetkin istehsal prosesləri və güclü miqyas iqtisadiyyatı.

  • Yüksək proses uyğunluğu:CMOS texnologiyası yüksək səviyyədə inkişaf etmiş qovşaqları dəstəkləyir (məsələn, 3nm).

  • Əla kristal keyfiyyəti:Aşağı qüsur sıxlığı olan böyük diametrli vaflilər (əsasən 12 düym, 18 düym inkişaf mərhələsindədir) yetişdirilə bilər.

  • Sabit mexaniki xüsusiyyətlər:Kəsmək, cilalamaq və idarə etmək asandır.

• Dezavantajları:

  • Dar bant aralığı (1,12 eV):Yüksək temperaturda yüksək sızma cərəyanı, güc cihazının səmərəliliyini məhdudlaşdırır.

  • Dolayı bant boşluğu:Çox aşağı işıq emissiya səmərəliliyi, LED və lazer kimi optoelektronik cihazlar üçün uyğun deyil.

  • Məhdud elektron hərəkətliliyi:Mürəkkəb yarımkeçiricilərlə müqayisədə aşağı yüksək tezlikli performans.
    

2.Qallium Arsenid (GaAs)

• Tətbiqlər:Yüksək tezlikli RF cihazları (5G/6G), optoelektronik cihazlar (lazerlər, günəş batareyaları).

• Üstünlüklər:

  • Yüksək elektron hərəkətliliyi (silisiumun 5-6 katı):Millimetr-dalğa rabitəsi kimi yüksək sürətli, yüksək tezlikli tətbiqlər üçün uyğundur.

  • Birbaşa bant boşluğu (1.42 eV):Yüksək səmərəli fotoelektrik çevrilmə, infraqırmızı lazerlərin və LED-lərin təməli.

  • Yüksək temperatur və radiasiya müqaviməti:Aerokosmik və sərt mühitlər üçün uyğundur.

• Dezavantajları:

  • Yüksək qiymət:Qıt material, çətin kristal böyüməsi (dislokasiyaya meylli), məhdud vafli ölçüsü (əsasən 6 düym).

  • Kövrək mexanika:Qırılmaya meyllidir, nəticədə emal məhsulu aşağı olur.

  • Toksiklik:Arsen ciddi rəftar və ətraf mühitə nəzarət tələb edir.

3. Silikon karbid (SiC)

• Tətbiqlər:Yüksək temperatur və yüksək gərginlikli elektrik cihazları (EV çeviriciləri, şarj stansiyaları), aerokosmik.

• Üstünlüklər:

  • Geniş diapazon (3,26 eV):Yüksək dağılma gücü (silikondan 10 ×), yüksək temperatura dözümlülük (işləmə temperaturu >200 °C).

  • Yüksək istilik keçiriciliyi (≈3× silisium):Mükəmməl istilik yayılması, sistemin daha yüksək enerji sıxlığına imkan verir.

  • Aşağı keçid itkisi:Gücü çevirmə səmərəliliyini artırır.

• Dezavantajları:

  • Çətin substratın hazırlanması:Yavaş kristal böyüməsi (>1 həftə), çətin qüsurla mübarizə (mikroborular, dislokasiyalar), olduqca yüksək qiymət (5–10 × silikon).

  • Kiçik vafli ölçüsü:Əsasən 4-6 düym; 8 düymlük hələ inkişaf mərhələsindədir.

  • Emal etmək çətindir:Çox çətin (Mohs 9.5), kəsmə və cilalama üçün vaxt aparan.

4. Qallium Nitridi (GaN)

• Tətbiqlər:Yüksək tezlikli enerji cihazları (sürətli doldurma, 5G baza stansiyaları), mavi LEDlər/lazerlər.

• Üstünlüklər:

  • Ultra yüksək elektron hərəkətliliyi + geniş diapazon (3,4 eV):Yüksək tezlikli (>100 GHz) və yüksək gərginlikli performansı birləşdirir.

  • Aşağı müqavimət:Cihazın enerji itkisini azaldır.

  • Heteroepitaksiyaya uyğundur:Adətən silisium, sapfir və ya SiC substratlarında yetişdirilir, dəyəri azaldır.

• Dezavantajları:

  • Kütləvi tək kristal böyüməsi çətinləşir:Heteroepitaksi əsasdır, lakin qəfəs uyğunsuzluğu qüsurları təqdim edir.

  • Yüksək qiymət:Native GaN substratları çox bahalıdır (2 düymlük vafli bir neçə min ABŞ dollarına başa gələ bilər).

  • Etibarlılıq problemləri:Cari çökmə kimi hadisələr optimallaşdırma tələb edir.

5. İndium Fosfit (InP)

• Tətbiqlər:Yüksək sürətli optik rabitə (lazerlər, fotodetektorlar), terahertz cihazları.

• Üstünlüklər:

  • Ultra yüksək elektron hərəkətliliyi:GaA-dan üstün olmaqla >100 GHz əməliyyatını dəstəkləyir.

  • Dalğa uzunluğu uyğunluğu ilə birbaşa bant boşluğu:1,3-1,55 μm fiber optik rabitə üçün əsas material.

• Dezavantajları:

  • Kövrək və çox bahalı:Substrat dəyəri 100 × silisiumdan artıqdır, məhdud vafli ölçüləri (4-6 düym).

6. Safir (Al₂O₃)

• Tətbiqlər:LED işıqlandırma (GaN epitaksial substrat), istehlakçı elektronikası şüşə örtüyü.

• Üstünlüklər:

  • Aşağı qiymət:SiC/GaN substratlarından çox daha ucuzdur.

  • Əla kimyəvi sabitlik:Korroziyaya davamlı, yüksək izolyasiya.

  • Şəffaflıq:Şaquli LED strukturları üçün uyğundur.

• Dezavantajları:

  • GaN ilə böyük qəfəs uyğunsuzluğu (>13%):Tampon təbəqələri tələb edən yüksək qüsur sıxlığına səbəb olur.

  • Zəif istilik keçiriciliyi (~1/20 silikon):Yüksək güclü LED-lərin işini məhdudlaşdırır.

7. Seramik substratlar (AlN, BeO və s.)

• Tətbiqlər:Yüksək güclü modullar üçün istilik yayıcıları.

• Üstünlüklər:

  • İzolyasiya + yüksək istilik keçiriciliyi (AlN: 170–230 W/m·K):Yüksək sıxlıqlı qablaşdırma üçün uyğundur.

• Dezavantajları:

  • Tək kristal olmayan:Cihazın böyüməsini birbaşa dəstəkləyə bilməz, yalnız qablaşdırma substratları kimi istifadə olunur.

8. Xüsusi substratlar

• SOI (İzolyatorda Silikon):

  • Struktur:Silikon/SiO₂/silikon sendviç.

  • Üstünlüklər:Parazitar tutumu azaldır, radiasiya ilə bərkimiş, sızmanın qarşısını alır (RF, MEMS-də istifadə olunur).

  • Dezavantajları:Toplu silisiumdan 30-50% daha bahalı.

• Kvars (SiO₂):Fotomaskalarda və MEMS-lərdə istifadə olunur; yüksək temperatur müqaviməti, lakin çox kövrəkdir.

• Almaz:Ən yüksək istilik keçiriciliyi substratı (>2000 W/m·K), həddindən artıq istilik yayılması üçün tədqiqat və inkişaf çərçivəsində.

Müqayisəli xülasə cədvəli

Substrat seçimi üçün əsas amillər

• Performans tələbləri:yüksək tezlikli üçün GaAs/InP; Yüksək gərginlikli, yüksək temperatur üçün SiC; Optoelektronika üçün GaAs/InP/GaN.

• Xərc məhdudiyyətləri:Məişət elektronikası silikona üstünlük verir; yüksək səviyyəli sahələr SiC/GaN mükafatlarını əsaslandıra bilər.

• İnteqrasiya mürəkkəbliyi:Silikon CMOS uyğunluğu üçün əvəzolunmaz olaraq qalır.

• Termal idarəetmə:Yüksək güclü tətbiqlər SiC və ya almaz əsaslı GaN-ə üstünlük verir.

• Təchizat zəncirinin yetkinliyi:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Gələcək Trend

Heterojen inteqrasiya (məsələn, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) 5G, elektrik nəqliyyat vasitələri və kvant hesablamalarında performans və xərcləri tarazlaşdıracaq.