Асноўная сыравіна для вытворчасці паўправаднікоў: тыпы падкладак для пласцін

Пласцінныя падложкі як ключавыя матэрыялы ў паўправадніковых прыладах

Пласцінныя падложкі з'яўляюцца фізічнымі носьбітамі паўправадніковых прылад, і ўласцівасці іх матэрыялу непасрэдна вызначаюць прадукцыйнасць прылады, кошт і вобласці прымянення. Ніжэй прыведзены асноўныя тыпы пласцінных падложак, а таксама іх перавагі і недахопы:

1.Крэмній (Si)

• Доля рынку:Займае больш за 95% сусветнага рынку паўправаднікоў.

• Перавагі:

  • Нізкі кошт:Багатае сыравінне (дыяксід крэмнію), адпрацаваныя вытворчыя працэсы і высокая эканомія маштабу.

  • Высокая сумяшчальнасць з працэсамі:Тэхналогія CMOS вельмі развітая і падтрымлівае перадавыя вузлы (напрыклад, 3 нм).

  • Выдатная якасць крышталя:Можна вырошчваць пласціны вялікага дыяметра (у асноўным 12 цаляў, 18 цаляў знаходзяцца ў распрацоўцы) з нізкай шчыльнасцю дэфектаў.

  • Стабільныя механічныя ўласцівасці:Лёгка рэжацца, паліруецца і апрацоўваецца.

• Недахопы:

  • Вузкая забароненая зона (1,12 эВ):Высокі ток уцечкі пры падвышаных тэмпературах, што абмяжоўвае эфектыўнасць прылады харчавання.

  • Ускосная забароненая зона:Вельмі нізкая эфектыўнасць выпраменьвання святла, не падыходзіць для оптаэлектронных прылад, такіх як святлодыёды і лазеры.

  • Абмежаваная рухомасць электронаў:Нізкія высокачастотныя характарыстыкі ў параўнанні са складанымі паўправаднікамі.
    

2.Арсенід галію (GaAs)

• Прымяненне:Высокачастотныя радыёчастотныя прылады (5G/6G), оптаэлектронныя прылады (лазеры, сонечныя элементы).

• Перавагі:

  • Высокая рухомасць электронаў (у 5–6 разоў большая за рухомасць крэмнію):Падыходзіць для высакахуткасных высокачастотных прыкладанняў, такіх як сувязь міліметровага дыяпазону.

  • Прамая забароненая зона (1,42 эВ):Высокаэфектыўнае фотаэлектрычнае пераўтварэнне, аснова інфрачырвоных лазераў і святлодыёдаў.

  • Высокая тэмпература і ўстойлівасць да радыяцыі:Падыходзіць для аэракасмічнай прамысловасці і суровых умоў эксплуатацыі.

• Недахопы:

  • Высокі кошт:Дэфіцытны матэрыял, складаны рост крышталяў (схільнасць да дыслакацый), абмежаваны памер пласціны (у асноўным 6 цаляў).

  • Далікатная механіка:Схільны да расколін, што прыводзіць да нізкай эфектыўнасці апрацоўкі.

  • Таксічнасць:Мыш'як патрабуе строгага абыходжання і кантролю за станам навакольнага асяроддзя.

3. Карбід крэмнію (SiC)

• Прымяненне:Высокатэмпературныя і высокавольтныя сілавыя прылады (інвертары для электрамабіляў, зарадныя станцыі), аэракасмічная прамысловасць.

• Перавагі:

  • Шырокая забароненая зона (3,26 эВ):Высокая прабойная трываласць (у 10 разоў вышэйшая за крэмній), высокая тэмпературастойкасць (працоўная тэмпература >200 °C).

  • Высокая цеплаправоднасць (≈3× крэмній):Выдатнае цеплааддаванне, што дазваляе павялічыць шчыльнасць магутнасці сістэмы.

  • Нізкія страты пры пераключэнні:Паляпшае эфектыўнасць пераўтварэння энергіі.

• Недахопы:

  • Складаная падрыхтоўка субстрата:Павольны рост крышталяў (>1 тыдзень), складаны кантроль дэфектаў (мікратрубкі, дыслакацыі), надзвычай высокі кошт (5–10× больш крэмнію).

  • Малы памер пласціны:У асноўным 4–6 цаляў; 8 цаляў усё яшчэ ў распрацоўцы.

  • Цяжка апрацоўваць:Вельмі цвёрды (па Моосу 9,5), што робіць рэзку і паліроўку працаёмкімі.

4. Нітрыд галію (GaN)

• Прымяненне:Высокачастотныя прылады харчавання (хуткая зарадка, базавыя станцыі 5G), сінія святлодыёды/лазеры.

• Перавагі:

  • Звышвысокая рухомасць электронаў + шырокая забароненая зона (3,4 эВ):Спалучае ў сабе высокую частату (>100 ГГц) і высокую напругу.

  • Нізкае супраціўленне ўключэння:Змяншае страты магутнасці прылады.

  • Сумяшчальнасць з гетэраэпітаксіяй:Звычайна вырошчваецца на падкладках з крэмнію, сапфіру або карбіду крэмнію, што зніжае кошт.

• Недахопы:

  • Вырошчванне монакрышталяў у аб'ёме складанае:Гетэраэпітаксія з'яўляецца распаўсюджанай з'явай, але неадпаведнасць рашоткі прыносіць дэфекты.

  • Высокі кошт:Падкладкі з натуральнага GaN вельмі дарагія (2-цалевая пласціна можа каштаваць некалькі тысяч долараў ЗША).

  • Праблемы з надзейнасцю:Такія з'явы, як бягучы калапс, патрабуюць аптымізацыі.

5. Фасфід індыю (InP)

• Прымяненне:Высокахуткасная аптычная сувязь (лазеры, фотадэтэктары), тэрагерцавыя прылады.

• Перавагі:

  • Звышвысокая рухомасць электронаў:Падтрымлівае працу >100 ГГц, пераўзыходзячы GaAs.

  • Прамая забароненая зона з узгадненнем даўжынь хвалі:Асноўны матэрыял для аптычнай сувязі валаконна-аптычных ліній таўшчынёй 1,3–1,55 мкм.

• Недахопы:

  • Далікатныя і вельмі дарагія:Кошт падкладкі перавышае 100 разоў большы за крэмній, памеры пласцін абмежаваныя (4–6 цаляў).

6. Сапфір (Al₂O₃)

• Прымяненне:Святлодыёдная падсветка (эпітаксіяльная падложка GaN), пакрыўнае шкло бытавой электронікі.

• Перавагі:

  • Нізкі кошт:Значна танней, чым падложкі SiC/GaN.

  • Выдатная хімічная стабільнасць:Устойлівы да карозіі, высокая ізаляцыя.

  • Празрыстасць:Падыходзіць для вертыкальных святлодыёдных канструкцый.

• Недахопы:

  • Вялікая неадпаведнасць рашоткі з GaN (>13%):Выклікае высокую шчыльнасць дэфектаў, што патрабуе буферных слаёў.

  • Дрэнная цеплаправоднасць (~1/20 ад крэмнію):Абмяжоўвае прадукцыйнасць магутных святлодыёдаў.

7. Керамічныя падкладкі (AlN, BeO і г.д.)

• Прымяненне:Распаўсюджвальнікі цяпла для магутных модуляў.

• Перавагі:

  • Ізаляцыя + высокая цеплаправоднасць (AlN: 170–230 Вт/м·K):Падыходзіць для ўпакоўкі высокай шчыльнасці.

• Недахопы:

  • Немонакрыштальныя:Не можа непасрэдна падтрымліваць рост прылады, выкарыстоўваецца толькі ў якасці ўпаковачных падкладак.

8. Спецыяльныя субстраты

• SOI (крэмній на ізалятары):

  • Структура:Сэндвіч з крэмнію/SiO₂/крэмнію.

  • Перавагі:Зніжае паразітную ёмістасць, радыяцыйна-ўстойлівы, падаўляе ўцечку (выкарыстоўваецца ў радыёчастотных і мікраэлектрамеханізмах).

  • Недахопы:На 30–50% даражэйшы за аб'ёмны крэмній.

• Кварц (SiO₂):Выкарыстоўваецца ў фоташаблонах і МЭМС; устойлівы да высокіх тэмператур, але вельмі далікатны.

• Алмаз:Падкладка з найвышэйшай цеплаправоднасцю (>2000 Вт/м·К), знаходзіцца ў стадыі даследаванняў і распрацовак для экстрэмальнага рассейвання цяпла.

Параўнальная зводная табліца

Ключавыя фактары выбару субстрата

• Патрабаванні да прадукцыйнасці:GaAs/InP для высокіх частот; SiC для высокага напружання, высокіх тэмператур; GaAs/InP/GaN для оптаэлектронікі.

• Абмежаванні па кошце:Бытавая электроніка аддае перавагу крэмнію; высакаякасныя галіны могуць апраўдаць прэміі за SiC/GaN.

• Складанасць інтэграцыі:Крэмній застаецца незаменным для сумяшчальнасці з CMOS.

• Тэрмаўпарадкаванне:Для магутных прымяненняў аддаюць перавагу SiC або GaN на аснове алмазаў.

• Сталасць ланцужка паставак:Si > сапфір > GaAs > SiC > GaN > InP.

Будучая тэндэнцыя

Гетэрагенная інтэграцыя (напрыклад, GaN-на-Si, GaN-на-SiC) дазволіць збалансаваць прадукцыйнасць і кошт, стымулюючы прагрэс у 5G, электрамабілях і квантавых вылічэннях.