Materja Prima Ewlenija għall-Produzzjoni tas-Semikondutturi: Tipi ta' Sottostrati tal-Wafer

Sottostrati tal-Wafer bħala Materjali Ewlenin f'Apparati Semikondutturi

Is-sottostrati tal-wejfer huma t-trasportaturi fiżiċi ta' apparati semikondutturi, u l-proprjetajiet tal-materjal tagħhom jiddeterminaw direttament il-prestazzjoni, l-ispiża u l-oqsma tal-applikazzjoni tal-apparat. Hawn taħt jinsabu t-tipi ewlenin ta' sottostrati tal-wejfer flimkien mal-vantaġġi u l-iżvantaġġi tagħhom:

1.Silikon (Si)

• Sehem tas-Suq:Jirrappreżenta aktar minn 95% tas-suq globali tas-semikondutturi.

• Vantaġġi:

  • Spiża baxxa:Materja prima abbundanti (dijossidu tas-silikon), proċessi ta' manifattura maturi, u ekonomiji ta' skala qawwija.

  • Kompatibilità għolja mal-proċess:It-teknoloġija CMOS hija matura ħafna, u tappoġġja nodi avvanzati (eż., 3nm).

  • Kwalità eċċellenti tal-kristall:Wejfers b'dijametru kbir (l-aktar ta' 12-il pulzier, 18-il pulzier taħt żvilupp) b'densità baxxa ta' difetti jistgħu jitkabbru.

  • Proprjetajiet mekkaniċi stabbli:Faċli biex taqta’, tillustra, u timmaniġġja.

• Żvantaġġi:

  • Bandgap dejqa (1.12 eV):Kurrent għoli ta' tnixxija f'temperaturi elevati, li jillimita l-effiċjenza tal-apparat tal-enerġija.

  • Bandgap indirett:Effiċjenza baxxa ħafna fl-emissjoni tad-dawl, mhux adattata għal apparati optoelettroniċi bħal LEDs u lejżers.

  • Mobilità limitata tal-elettroni:Prestazzjoni inferjuri ta' frekwenza għolja meta mqabbla ma' semikondutturi komposti.
    

2.Arsenur tal-Gallju (GaAs)

• Applikazzjonijiet:Apparati RF ta' frekwenza għolja (5G/6G), apparati optoelettroniċi (lejżers, ċelloli solari).

• Vantaġġi:

  • Mobilità għolja tal-elettroni (5–6× dik tas-silikon):Adattat għal applikazzjonijiet ta' veloċità għolja u frekwenza għolja bħal komunikazzjoni ta' mewġ millimetru.

  • Bandgap dirett (1.42 eV):Konverżjoni fotoelettrika ta' effiċjenza għolja, il-pedament tal-lejżers infra-aħmar u l-LEDs.

  • Reżistenza għat-temperatura għolja u r-radjazzjoni:Adattat għall-ajruspazju u ambjenti ħorox.

• Żvantaġġi:

  • Spiża għolja:Materjal skars, tkabbir diffiċli tal-kristalli (suxxettibbli għal dislokazzjonijiet), daqs limitat tal-wejfer (l-aktar ta' 6 pulzieri).

  • Mekkanika fraġli:Suxxettibbli għall-ksur, li jirriżulta f'rendiment baxx tal-ipproċessar.

  • Tossiċità:L-arseniku jeħtieġ immaniġġjar strett u kontrolli ambjentali.

3. Karbur tas-Silikon (SiC)

• Applikazzjonijiet:Apparati tal-enerġija b'temperatura għolja u vultaġġ għoli (invertituri tal-EV, stazzjonijiet tal-iċċarġjar), aerospazjali.

• Vantaġġi:

  • Bandgap wiesa' (3.26 eV):Saħħa għolja ta' tkissir (10 × dik tas-silikon), tolleranza għal temperatura għolja (temperatura operattiva >200 °C).

  • Konduttività termali għolja (≈3× silikon):Dissipazzjoni eċċellenti tas-sħana, li tippermetti densità ogħla ta' qawwa tas-sistema.

  • Telf baxx ta' swiċċjar:Ittejjeb l-effiċjenza tal-konverżjoni tal-enerġija.

• Żvantaġġi:

  • Tħejjija tas-sottostrat diffiċli:Tkabbir bil-mod tal-kristalli (>1 ġimgħa), kontroll diffiċli tad-difetti (mikropajpijiet, dislokazzjonijiet), spiża estremament għolja (5–10× silikon).

  • Daqs żgħir tal-wejfer:Prinċipalment 4–6 pulzieri; 8 pulzieri għadu qed jiġi żviluppat.

  • Diffiċli biex tiġi pproċessata:Iebes ħafna (Mohs 9.5), u b'hekk il-qtugħ u l-illustrar jieħdu ħafna ħin.

4. Nitrur tal-Gallju (GaN)

• Applikazzjonijiet:Apparati tal-enerġija ta' frekwenza għolja (iċċarġjar veloċi, stazzjonijiet bażi 5G), LEDs/lejżers blu.

• Vantaġġi:

  • Mobilità tal-elettroni ultra-għolja + bandgap wiesa' (3.4 eV):Jikkombina prestazzjoni ta' frekwenza għolja (>100 GHz) u vultaġġ għoli.

  • Reżistenza baxxa mixgħula:Inaqqas it-telf tal-enerġija tal-apparat.

  • Kompatibbli mal-eteroepitassija:Komunement imkabbar fuq sottostrati tas-silikon, żaffir, jew SiC, u b'hekk inaqqas l-ispiża.

• Żvantaġġi:

  • Tkabbir ta' kristall wieħed bl-ingrossa diffiċli:L-eteroepitassija hija mainstream, iżda d-diskrepanza fil-kannizzata tintroduċi difetti.

  • Spiża għolja:Is-sottostrati nattivi tal-GaN huma għaljin ħafna (wejfer ta' 2 pulzieri jista' jiswa diversi eluf ta' USD).

  • Sfidi ta' affidabbiltà:Fenomeni bħall-kollass tal-kurrent jeħtieġu ottimizzazzjoni.

5. Fosfid tal-Indju (InP)

• Applikazzjonijiet:Komunikazzjonijiet ottiċi b'veloċità għolja (lejżers, fotoditekters), apparati terahertz.

• Vantaġġi:

  • Mobilità tal-elettroni ultra-għolja:Jappoġġja operazzjoni ta' >100 GHz, u jegħleb il-GaAs.

  • Bandgap dirett bit-tqabbil tal-wavelength:Materjal ewlieni għal komunikazzjonijiet tal-fibra ottika ta' 1.3–1.55 μm.

• Żvantaġġi:

  • Fraġli u għali ħafna:L-ispiża tas-sottostrat taqbeż il-100× silikon, daqsijiet limitati tal-wejfers (4–6 pulzieri).

6. Żaffir (Al₂O₃)

• Applikazzjonijiet:Dawl LED (sottostrat epitassjali GaN), ħġieġ tal-għatu tal-elettronika għall-konsumatur.

• Vantaġġi:

  • Spiża baxxa:Ħafna irħas mis-sottostrati SiC/GaN.

  • Stabbiltà kimika eċċellenti:Reżistenti għall-korrużjoni, iżolanti ħafna.

  • Trasparenza:Adattat għal strutturi LED vertikali.

• Żvantaġġi:

  • Nuqqas kbir ta' qbil fil-kannizzata mal-GaN (>13%):Jikkawża densità għolja ta' difetti, li teħtieġ saffi ta' lqugħ.

  • Konduttività termali fqira (~1/20 tas-silikon):Jillimita l-prestazzjoni tal-LEDs ta' qawwa għolja.

7. Sottostrati taċ-Ċeramika (AlN, BeO, eċċ.)

• Applikazzjonijiet:Spreaders tas-sħana għal moduli ta' qawwa għolja.

• Vantaġġi:

  • Insulazzjoni + konduttività termali għolja (AlN: 170–230 W/m·K):Adattat għal imballaġġ ta' densità għolja.

• Żvantaġġi:

  • Mhux kristall wieħed:Ma jistax jappoġġja direttament it-tkabbir tal-apparat, jintuża biss bħala sottostrati tal-ippakkjar.

8. Sottostrati Speċjali

• SOI (Silikon fuq Iżolatur):

  • Struttura:Sandwich tas-silikon/SiO₂/silikon.

  • Vantaġġi:Inaqqas il-kapaċitanza parassitika, imwebbes bir-radjazzjoni, soppressjoni tat-tnixxija (użat fl-RF, MEMS).

  • Żvantaġġi:30–50% iktar għali mis-silikon bl-ingrossa.

• Kwarz (SiO₂):Użat f'fotomaskri u MEMS; reżistenza għal temperatura għolja iżda fraġli ħafna.

• Djamant:Sottostrat bl-ogħla konduttività termali (>2000 W/m·K), taħt R&D għal dissipazzjoni estrema tas-sħana.

Tabella Sommarja Komparattiva

Fatturi Ewlenin għall-Għażla tas-Sottostrat

• Rekwiżiti tal-prestazzjoni:GaAs/InP għal frekwenza għolja; SiC għal vultaġġ għoli, temperatura għolja; GaAs/InP/GaN għall-optoelettronika.

• Restrizzjonijiet tal-ispejjeż:L-elettronika għall-konsumatur tiffavorixxi s-silikon; oqsma ta' kwalità għolja jistgħu jiġġustifikaw premjijiet SiC/GaN.

• Kumplessità tal-integrazzjoni:Is-silikon jibqa' insostitwibbli għall-kompatibilità tas-CMOS.

• Ġestjoni termali:Applikazzjonijiet ta' qawwa għolja jippreferu SiC jew GaN ibbażat fuq id-djamanti.

• Maturità tal-katina tal-provvista:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Xejra Futura

L-integrazzjoni eteroġenja (eż., GaN-on-Si, GaN-on-SiC) se tibbilanċja l-prestazzjoni u l-ispiża, u b'hekk tmexxi 'l quddiem avvanzi fil-5G, vetturi elettriċi, u komputazzjoni kwantistika.