Belangrike grondstowwe vir halfgeleierproduksie: Tipes wafersubstrate

Wafersubstrate as sleutelmateriale in halfgeleiertoestelle

Wafersubstrate is die fisiese draers van halfgeleiertoestelle, en hul materiaaleienskappe bepaal direk toestelprestasie, koste en toepassingsvelde. Hieronder is die hooftipes wafersubstrate saam met hul voor- en nadele:

1.Silikon (Si)

• Markaandeel:Maak meer as 95% van die wêreldwye halfgeleiermark uit.

• Voordele:

  • Lae koste:Oorvloedige grondstowwe (silikondioksied), volwasse vervaardigingsprosesse en sterk skaalvoordele.

  • Hoë prosesversoenbaarheid:CMOS-tegnologie is hoogs volwasse en ondersteun gevorderde nodusse (bv. 3nm).

  • Uitstekende kristalgehalte:Grootdeursnee-wafers (hoofsaaklik 12-duim, 18-duim in ontwikkeling) met lae defekdigtheid kan gekweek word.

  • Stabiele meganiese eienskappe:Maklik om te sny, poleer en hanteer.

• Nadele:

  • Nou bandgaping (1.12 eV):Hoë lekstroom by verhoogde temperature, wat die doeltreffendheid van die kragtoestel beperk.

  • Indirekte bandgap:Baie lae liguitstralingsdoeltreffendheid, ongeskik vir opto-elektroniese toestelle soos LED's en lasers.

  • Beperkte elektronmobiliteit:Minderwaardige hoëfrekwensie-prestasie in vergelyking met saamgestelde halfgeleiers.
    

2.Galliumarsenied (GaAs)

• Toepassings:Hoëfrekwensie RF-toestelle (5G/6G), opto-elektroniese toestelle (lasers, sonselle).

• Voordele:

  • Hoë elektronmobiliteit (5–6× dié van silikon):Geskik vir hoëspoed-, hoëfrekwensie-toepassings soos millimetergolfkommunikasie.

  • Direkte bandgap (1.42 eV):Hoë-doeltreffendheid fotoëlektriese omskakeling, die fondament van infrarooi lasers en LED's.

  • Hoë temperatuur- en stralingsweerstand:Geskik vir lugvaart en strawwe omgewings.

• Nadele:

  • Hoë koste:Skaars materiaal, moeilike kristalgroei (geneig tot ontwrigtings), beperkte wafergrootte (hoofsaaklik 6-duim).

  • Bros meganika:Geneig tot breuk, wat lei tot lae verwerkingsopbrengs.

  • Toksisiteit:Arseen vereis streng hantering en omgewingsbeheer.

3. Silikonkarbied (SiC)

• Toepassings:Hoëtemperatuur- en hoëspanningskragtoestelle (EV-omsetters, laaistasies), lugvaart.

• Voordele:

  • Wye bandgap (3.26 eV):Hoë afbreeksterkte (10× dié van silikon), hoëtemperatuurtoleransie (bedryfstemperatuur >200 °C).

  • Hoë termiese geleidingsvermoë (≈3× silikon):Uitstekende hitteafvoer, wat hoër stelselkragdigtheid moontlik maak.

  • Lae skakelverlies:Verbeter kragomskakelingsdoeltreffendheid.

• Nadele:

  • Uitdagende substraatvoorbereiding:Stadige kristalgroei (>1 week), moeilike defekbeheer (mikropype, ontwrigtings), uiters hoë koste (5–10× silikon).

  • Klein wafelgrootte:Hoofsaaklik 4–6 duim; 8-duim steeds onder ontwikkeling.

  • Moeilik om te verwerk:Baie hard (Mohs 9.5), wat sny en poleer tydrowend maak.

4. Galliumnitride (GaN)

• Toepassings:Hoëfrekwensie-kragtoestelle (snelle laai, 5G-basisstasies), blou LED's/lasers.

• Voordele:

  • Ultrahoë elektronmobiliteit + wye bandgaping (3.4 eV):Kombineer hoëfrekwensie (>100 GHz) en hoëspanningsprestasie.

  • Lae aan-weerstand:Verminder toestel kragverlies.

  • Heteroepitaksie versoenbaar:Word algemeen op silikon-, saffier- of SiC-substrate gekweek, wat koste verminder.

• Nadele:

  • Moeilik om enkelkristalgroei in grootmaat te maak:Heteroepitaksie is hoofstroom, maar roosterwanpassing bring defekte mee.

  • Hoë koste:Inheemse GaN-substrate is baie duur (’n 2-duim-wafer kan etlike duisende USD kos).

  • Betroubaarheidsuitdagings:Verskynsels soos huidige ineenstorting vereis optimalisering.

5. Indiumfosfied (InP)

• Toepassings:Hoëspoed optiese kommunikasie (lasers, fotodetektors), terahertz-toestelle.

• Voordele:

  • Ultrahoë elektronmobiliteit:Ondersteun >100 GHz-werking, wat beter presteer as GaAs.

  • Direkte bandgaping met golflengte-aanpassing:Kernmateriaal vir 1.3–1.55 μm optiese veselkommunikasie.

• Nadele:

  • Bros en baie duur:Substraatkoste oorskry 100× silikon, beperkte wafergroottes (4–6 duim).

6. Saffier (Al₂O₃)

• Toepassings:LED-beligting (GaN epitaksiale substraat), dekglas vir verbruikerselektronika.

• Voordele:

  • Lae koste:Baie goedkoper as SiC/GaN-substrate.

  • Uitstekende chemiese stabiliteit:Korrosiebestand, hoogs isolerend.

  • Deursigtigheid:Geskik vir vertikale LED-strukture.

• Nadele:

  • Groot roosterwanpassing met GaN (>13%):Veroorsaak hoë defekdigtheid, wat bufferlae benodig.

  • Swak termiese geleidingsvermoë (~1/20 van silikon):Beperk die werkverrigting van hoëkrag-LED's.

7. Keramiese substrate (AlN, BeO, ens.)

• Toepassings:Hitteverspreiders vir hoëkragmodules.

• Voordele:

  • Isolerend + hoë termiese geleidingsvermoë (AlN: 170–230 W/m·K):Geskik vir hoëdigtheidsverpakking.

• Nadele:

  • Nie-enkelkristal:Kan nie toestelgroei direk ondersteun nie, word slegs as verpakkingssubstrate gebruik.

8. Spesiale Substrate

• SOI (Silikon op Isolator):

  • Struktuur:Silikon/SiO₂/silikon-toebroodjie.

  • Voordele:Verminder parasitiese kapasitansie, stralingsverhard, lekonderdrukking (gebruik in RF, MEMS).

  • Nadele:30–50% duurder as grootmaat silikon.

• Kwarts (SiO₂):Gebruik in fotomaskers en MEMS; hoëtemperatuurbestand maar baie bros.

• Diamant:Substraat met die hoogste termiese geleidingsvermoë (>2000 W/m·K), onder navorsing en ontwikkeling vir uiterste hitteafvoer.

Vergelykende Opsommingstabel

Sleutelfaktore vir substraatkeuse

• Prestasievereistes:GaAs/InP vir hoëfrekwensie; SiC vir hoëspanning, hoëtemperatuur; GaAs/InP/GaN vir opto-elektronika.

• Kostebeperkings:Verbruikerselektronika verkies silikon; hoë-end velde kan SiC/GaN-premies regverdig.

• Integrasiekompleksiteit:Silikon bly onvervangbaar vir CMOS-versoenbaarheid.

• Termiese bestuur:Hoëkragtoepassings verkies SiC of diamant-gebaseerde GaN.

• Voorsieningsketting volwassenheid:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Toekomstige tendens

Heterogene integrasie (bv. GaN-op-Si, GaN-op-SiC) sal prestasie en koste balanseer, wat vooruitgang in 5G, elektriese voertuie en kwantumrekenaars dryf.