Βασικές πρώτες ύλες για την παραγωγή ημιαγωγών: Τύποι υποστρωμάτων πλακιδίων

Υποστρώματα πλακιδίων ως βασικά υλικά σε ημιαγωγικές συσκευές

Τα υποστρώματα πλακιδίων είναι οι φυσικοί φορείς των ημιαγωγικών συσκευών και οι ιδιότητες των υλικών τους καθορίζουν άμεσα την απόδοση, το κόστος και τα πεδία εφαρμογής της συσκευής. Παρακάτω παρατίθενται οι κύριοι τύποι υποστρωμάτων πλακιδίων μαζί με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους:

1.Πυρίτιο (Si)

• Μερίδιο αγοράς:Αντιπροσωπεύει περισσότερο από το 95% της παγκόσμιας αγοράς ημιαγωγών.

• Φόντα:

  • Χαμηλό κόστος:Άφθονες πρώτες ύλες (διοξείδιο του πυριτίου), ώριμες διαδικασίες παραγωγής και ισχυρές οικονομίες κλίμακας.

  • Υψηλή συμβατότητα διεργασιών:Η τεχνολογία CMOS είναι ιδιαίτερα ώριμη, υποστηρίζοντας προηγμένους κόμβους (π.χ., 3nm).

  • Άριστη ποιότητα κρυστάλλων:Μπορούν να καλλιεργηθούν πλακίδια μεγάλης διαμέτρου (κυρίως 12 ιντσών, 18 ιντσών υπό ανάπτυξη) με χαμηλή πυκνότητα ελαττωμάτων.

  • Σταθερές μηχανικές ιδιότητες:Εύκολο στην κοπή, το γυάλισμα και το χειρισμό.

• Μειονεκτήματα:

  • Στενό ενεργειακό χάσμα (1,12 eV):Υψηλό ρεύμα διαρροής σε υψηλές θερμοκρασίες, που περιορίζει την απόδοση της συσκευής ισχύος.

  • Έμμεσο ενεργειακό χάσμα:Πολύ χαμηλή απόδοση εκπομπής φωτός, ακατάλληλη για οπτοηλεκτρονικές συσκευές όπως LED και λέιζερ.

  • Περιορισμένη κινητικότητα ηλεκτρονίων:Κατώτερη απόδοση υψηλών συχνοτήτων σε σύγκριση με τους σύνθετους ημιαγωγούς.
    

2.Αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs)

• Εφαρμογές:Συσκευές RF υψηλής συχνότητας (5G/6G), οπτοηλεκτρονικές συσκευές (λέιζερ, ηλιακά κύτταρα).

• Φόντα:

  • Υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων (5–6 φορές μεγαλύτερη από αυτή του πυριτίου):Κατάλληλο για εφαρμογές υψηλής ταχύτητας και υψηλής συχνότητας, όπως η επικοινωνία χιλιοστομετρικών κυμάτων.

  • Άμεσο ενεργειακό χάσμα (1,42 eV):Φωτοηλεκτρική μετατροπή υψηλής απόδοσης, η βάση των υπέρυθρων λέιζερ και των LED.

  • Αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και ακτινοβολία:Κατάλληλο για αεροδιαστημική και σκληρά περιβάλλοντα.

• Μειονεκτήματα:

  • Υψηλό κόστος:Σπάνιο υλικό, δύσκολη ανάπτυξη κρυστάλλων (επιρρεπής σε εξαρθρώσεις), περιορισμένο μέγεθος πλακιδίου (κυρίως 6 ίντσες).

  • Εύθραυστη μηχανική:Επιρρεπές σε θραύση, με αποτέλεσμα χαμηλή απόδοση επεξεργασίας.

  • Τοξικότητα:Το αρσενικό απαιτεί αυστηρό χειρισμό και περιβαλλοντικούς ελέγχους.

3. Καρβίδιο του πυριτίου (SiC)

• Εφαρμογές:Συσκευές ισχύος υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής τάσης (μετατροπείς ηλεκτρικών οχημάτων, σταθμοί φόρτισης), αεροδιαστημική.

• Φόντα:

  • Ευρύ ενεργειακό χάσμα (3,26 eV):Υψηλή αντοχή σε διάσπαση (10 φορές μεγαλύτερη από αυτή του πυριτίου), ανοχή σε υψηλές θερμοκρασίες (θερμοκρασία λειτουργίας >200 °C).

  • Υψηλή θερμική αγωγιμότητα (≈3× πυρίτιο):Εξαιρετική απαγωγή θερμότητας, επιτρέποντας υψηλότερη πυκνότητα ισχύος συστήματος.

  • Χαμηλή απώλεια μεταγωγής:Βελτιώνει την απόδοση μετατροπής ισχύος.

• Μειονεκτήματα:

  • Προετοιμασία υποστρώματος που απαιτεί δυσκολίες:Αργή ανάπτυξη κρυστάλλων (>1 εβδομάδα), δύσκολος έλεγχος ελαττωμάτων (μικροσωλήνες, εξαρθρώσεις), εξαιρετικά υψηλό κόστος (5–10× πυρίτιο).

  • Μικρό μέγεθος γκοφρέτας:Κυρίως 4–6 ίντσες. Οι 8 ίντσες βρίσκονται ακόμη υπό ανάπτυξη.

  • Δύσκολη επεξεργασία:Πολύ σκληρό (Mohs 9,5), καθιστώντας την κοπή και το γυάλισμα χρονοβόρα.

4. Νιτρίδιο του γαλλίου (GaN)

• Εφαρμογές:Συσκευές υψηλής συχνότητας (γρήγορη φόρτιση, σταθμοί βάσης 5G), μπλε LED/λέιζερ.

• Φόντα:

  • Εξαιρετικά υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων + ευρύ ενεργειακό χάσμα (3,4 eV):Συνδυάζει απόδοση υψηλής συχνότητας (>100 GHz) και υψηλής τάσης.

  • Χαμηλή αντίσταση ενεργοποίησης:Μειώνει την απώλεια ισχύος της συσκευής.

  • Συμβατό με ετεροεπιταξία:Συνήθως καλλιεργούνται σε υποστρώματα πυριτίου, ζαφειριού ή SiC, μειώνοντας το κόστος.

• Μειονεκτήματα:

  • Δύσκολη η ανάπτυξη μονοκρυστάλλων σε όγκο:Η ετεροεπιταξία είναι κυρίαρχη, αλλά η αναντιστοιχία πλέγματος εισάγει ελαττώματα.

  • Υψηλό κόστος:Τα εγγενή υποστρώματα GaN είναι πολύ ακριβά (ένα πλακίδιο 2 ιντσών μπορεί να κοστίσει αρκετές χιλιάδες δολάρια ΗΠΑ).

  • Προκλήσεις αξιοπιστίας:Φαινόμενα όπως η τρέχουσα κατάρρευση απαιτούν βελτιστοποίηση.

5. Φωσφίδιο του ινδίου (InP)

• Εφαρμογές:Οπτικές επικοινωνίες υψηλής ταχύτητας (λέιζερ, φωτοανιχνευτές), συσκευές terahertz.

• Φόντα:

  • Εξαιρετικά υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων:Υποστηρίζει λειτουργία >100 GHz, ξεπερνώντας σε απόδοση τα GaAs.

  • Άμεσο ενεργειακό χάσμα με αντιστοίχιση μήκους κύματος:Υλικό πυρήνα για επικοινωνίες οπτικών ινών 1,3–1,55 μm.

• Μειονεκτήματα:

  • Εύθραυστο και πολύ ακριβό:Το κόστος του υποστρώματος υπερβαίνει τα 100× πυριτίου, με περιορισμένα μεγέθη πλακιδίων (4–6 ίντσες).

6. Ζαφείρι (Al₂O₃)

• Εφαρμογές:Φωτισμός LED (επιταξιακό υπόστρωμα GaN), γυαλί κάλυψης ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης.

• Φόντα:

  • Χαμηλό κόστος:Πολύ φθηνότερο από τα υποστρώματα SiC/GaN.

  • Άριστη χημική σταθερότητα:Ανθεκτικό στη διάβρωση, με υψηλή μονωτική ικανότητα.

  • Διαφάνεια:Κατάλληλο για κάθετες κατασκευές LED.

• Μειονεκτήματα:

  • Μεγάλη αναντιστοιχία πλέγματος με GaN (>13%):Προκαλεί υψηλή πυκνότητα ελαττωμάτων, απαιτώντας στρώματα buffer.

  • Κακή θερμική αγωγιμότητα (~1/20 του πυριτίου):Περιορίζει την απόδοση των LED υψηλής ισχύος.

7. Κεραμικά υποστρώματα (AlN, BeO, κ.λπ.)

• Εφαρμογές:Διανομείς θερμότητας για μονάδες υψηλής ισχύος.

• Φόντα:

  • Μονωτικό + υψηλή θερμική αγωγιμότητα (AlN: 170–230 W/m·K):Κατάλληλο για συσκευασίες υψηλής πυκνότητας.

• Μειονεκτήματα:

  • Μη μονοκρυσταλλικό:Δεν μπορεί να υποστηρίξει άμεσα την ανάπτυξη της συσκευής, χρησιμοποιείται μόνο ως υποστρώματα συσκευασίας.

8. Ειδικά Υποστρώματα

• SOI (Πυρίτιο σε μονωτή):

  • Δομή:Σάντουιτς πυριτίου/SiO₂/πυριτίου.

  • Φόντα:Μειώνει την παρασιτική χωρητικότητα, ανθεκτικό στην ακτινοβολία, καταστολή διαρροών (χρησιμοποιείται σε RF, MEMS).

  • Μειονεκτήματα:30–50% ακριβότερο από το χύμα πυρίτιο.

• Χαλαζίας (SiO₂):Χρησιμοποιείται σε φωτομάσκες και MEMS· είναι ανθεκτικό σε υψηλές θερμοκρασίες αλλά πολύ εύθραυστο.

• Διαμάντι:Υπόστρωμα με την υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα (>2000 W/m·K), στο πλαίσιο Έρευνας και Ανάπτυξης για εξαιρετική απαγωγή θερμότητας.

Συγκριτικός Συνοπτικός Πίνακας

Βασικοί παράγοντες για την επιλογή υποστρώματος

• Απαιτήσεις απόδοσης:GaAs/InP για υψηλή συχνότητα· SiC για υψηλή τάση, υψηλή θερμοκρασία· GaAs/InP/GaN για οπτοηλεκτρονική.

• Περιορισμοί κόστους:Τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης ευνοούν το πυρίτιο. Τα πεδία υψηλής τεχνολογίας μπορούν να δικαιολογήσουν τις τιμές SiC/GaN.

• Πολυπλοκότητα ολοκλήρωσης:Το πυρίτιο παραμένει αναντικατάστατο για τη συμβατότητα με CMOS.

• Θερμική διαχείριση:Οι εφαρμογές υψηλής ισχύος προτιμούν το SiC ή το GaN με βάση το διαμάντι.

• Ωριμότητα της εφοδιαστικής αλυσίδας:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Μελλοντική τάση

Η ετερογενής ενσωμάτωση (π.χ., GaN-on-Si, GaN-on-SiC) θα εξισορροπήσει την απόδοση και το κόστος, προωθώντας την πρόοδο στο 5G, τα ηλεκτρικά οχήματα και την κβαντική υπολογιστική.