Жарым өткөргүч өндүрүшүнүн негизги сырьёлору: пластинкалардын түрлөрү

Вафли субстраттары жарым өткөргүч түзүлүштөрдүн негизги материалдары катары

Вафли субстраттары жарым өткөргүч түзүлүштөрдүн физикалык алып жүрүүчүлөрү болуп саналат жана алардын материалдык касиеттери түзмөктүн иштешин, баасын жана колдонуу талааларын түздөн-түз аныктайт. Төмөндө вафли субстраттарынын негизги түрлөрү, алардын артыкчылыктары жана кемчиликтери:

1.Кремний (Si)

• Базар үлүшү:Дүйнөлүк жарым өткөргүчтөр рыногунун 95%дан ашыгын түзөт.

• Артыкчылыктары:

  • Төмөн наркы:Мол чийки зат (кремний диоксиди), жетилген өндүрүш процесстери жана масштабдын күчтүү экономикасы.

  • Процесстин жогорку шайкештиги:CMOS технологиясы өтө жетилген, өнүккөн түйүндөрдү (мисалы, 3нм) колдойт.

  • Мыкты кристалл сапаты:Кемчилик тыгыздыгы аз болгон чоң диаметрдеги пластиналарды (негизинен 12 дюймдук, 18 дюймдук иштеп чыгууда) өстүрсө болот.

  • Туруктуу механикалык касиеттери:Кесүүгө, жылтыратууга жана иштетүүгө оңой.

• Кемчиликтери:

  • Тар диапазон (1,12 эВ):Жогорку темп-рада жогорку агып кетүү агымы, электр аппаратынын натыйжалуулугун чектөө.

  • Кыйыр диапазон:Светодиоддор жана лазерлер сыяктуу оптоэлектрондук түзүлүштөр үчүн жараксыз жарык чыгаруунун эффективдүүлүгү өтө төмөн.

  • Чектелген электрон кыймылдуулугу:Комплекстүү жарым өткөргүчтөр менен салыштырганда жогорку жыштыктагы көрсөткүчтөр төмөн.
    

2.Галий арсениди (GaAs)

• Тиркемелер:Жогорку жыштыктагы RF түзүлүштөрү (5G/6G), оптоэлектрондук түзүлүштөр (лазерлер, күн батареялары).

• Артыкчылыктары:

  • Жогорку электрон кыймылдуулугу (5-6 × кремнийдики):Миллиметрдик толкун байланышы сыяктуу жогорку ылдамдыктагы, жогорку жыштыктагы колдонмолорго ылайыктуу.

  • Түз диапазон (1,42 эВ):Жогорку эффективдуу фотоэлектрдик конверсия, инфракызыл лазерлердин жана светодиоддордун негизи.

  • Жогорку температура жана радиацияга каршылык:Аэрокосмикалык жана катаал чөйрөлөр үчүн ылайыктуу.

• Кемчиликтери:

  • Жогорку наркы:Материал жетишсиз, кристаллдын өсүшү кыйын (дислокацияга жакын), пластинка өлчөмү чектелген (негизинен 6 дюйм).

  • Мортук механика:Сынууга жакын, натыйжада кайра иштетүүнүн түшүмү аз.

  • Уулуулугу:Мышьяк катуу мамилени жана экологиялык көзөмөлдү талап кылат.

3. Кремний карбиди (SiC)

• Тиркемелер:Жогорку температурадагы жана жогорку вольттогу электр приборлору (ЭВ инверторлор, заряддоо станциялары), аэрокосмостук.

• Артыкчылыктары:

  • Кең диапазон (3,26 эВ):Жогорку бузулуу күчү (кремнийдики 10 ×), жогорку температурага чыдамдуулук (иш температурасы >200 °C).

  • Жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүк (≈3× кремний):Мыкты жылуулук диссипация, системанын кубаттуулугунун тыгыздыгын камсыз кылат.

  • Төмөн которуу жоготуу:Кубаттын конверсиясынын натыйжалуулугун жакшыртат.

• Кемчиликтери:

  • татаал субстрат даярдоо:Кристаллдын жай өсүшү (>1 жума), кемчиликтерди көзөмөлдөө кыйын (микропродукт, дислокация), өтө кымбат (5–10× кремний).

  • Чакан вафли өлчөмү:Негизинен 4-6 дюйм; 8 дюймдук дагы эле иштелип чыгууда.

  • Иштетүү кыйын:Абдан кыйын (Mohs 9.5), кесүү жана жылмалоо көп убакытты талап кылат.

4. Галий нитриди (GaN)

• Тиркемелер:Жогорку жыштыктагы электр түзүлүштөрү (тез кубаттоо, 5G базалык станциялары), көк LED/лазер.

• Артыкчылыктары:

  • Ультра жогорку электрон кыймылдуулугу + кең тилке (3,4 эВ):Жогорку жыштыктагы (>100 ГГц) жана жогорку чыңалуудагы аткарууну айкалыштырат.

  • Төмөн каршылык:Аппараттын кубаттуулугун жоготууну азайтат.

  • Heteroepitaxy шайкеш:Көбүнчө кремний, сапфир же SiC субстраттарында өстүрүлүп, баасын төмөндөтөт.

• Кемчиликтери:

  • жапырт монокристалл өсүшү кыйын:Гетероепитаксия негизги агым болуп саналат, бирок торлордун дал келбестиги кемчиликтерди жаратат.

  • Жогорку наркы:Native GaN субстраттары абдан кымбат (2 дюймдук пластинка бир нече миң долларга кымбатташы мүмкүн).

  • Ишенимдүүлүк көйгөйлөрү:Учурдагы кыйроо сыяктуу көрүнүштөр оптималдаштырууну талап кылат.

5. Индий фосфиди (InP)

• Тиркемелер:Жогорку ылдамдыктагы оптикалык байланыштар (лазерлер, фотодетекторлор), терагерц приборлору.

• Артыкчылыктары:

  • Ультра жогорку электрон кыймылдуулугу:> 100 ГГц иштешин колдойт, GaAs артык.

  • Толкун узундугу дал келген түз тилке:1,3–1,55 мкм оптикалык була байланыш үчүн негизги материал.

• Кемчиликтери:

  • Морт жана абдан кымбат:Субстраттын баасы 100 × кремнийден ашат, пластинкалардын өлчөмү чектелген (4–6 дюйм).

6. Сапфир (Al₂O₃)

• Тиркемелер:LED жарыктандыруу (GaN эпитаксиалдык субстрат), керектөөчү электроника айнек капкагын.

• Артыкчылыктары:

  • Төмөн наркы:SiC/GaN субстраттарына караганда алда канча арзан.

  • Мыкты химиялык туруктуулук:Коррозияга чыдамдуу, жогорку изоляциялоочу.

  • Ачыктык:тик LED структуралар үчүн ылайыктуу.

• Кемчиликтери:

  • GaN менен чоң тордун дал келбестиги (>13%):Буфердик катмарларды талап кылган жогорку дефект тыгыздыгын пайда кылат.

  • Начар жылуулук өткөрүмдүүлүк (~1/20 кремний):Жогорку кубаттуулуктагы диоддордун иштешин чектейт.

7. Керамикалык субстраттар (AlN, BeO, ж.

• Тиркемелер:Жогорку кубаттуулуктагы модулдар үчүн жылуулук тараткычтар.

• Артыкчылыктары:

  • Изоляциялоочу + жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүк (AlN: 170–230 Вт/м·К):Жогорку тыгыздыктагы таңгактоо үчүн ылайыктуу.

• Кемчиликтери:

  • Бир кристалл эмес:Түзмөктүн өсүшүн түздөн-түз колдоого албайт, таңгактоочу субстрат катары гана колдонулат.

8. Атайын субстраттар

• SOI (изолятордогу кремний):

  • Түзүлүшү:Кремний/SiO₂/силикон сэндвич.

  • Артыкчылыктары:Мителик сыйымдуулукту азайтат, радиациялык катууланган, агып кетүүнү басуу (RF, MEMS колдонулат).

  • Кемчиликтери:Кремнийден 30-50% кымбат.

• Кварц (SiO₂):Фотомаскаларда жана MEMSтерде колдонулат; жогорку температурага туруктуу, бирок өтө морт.

• Алмаз:Эң жогорку жылуулук өткөргүчтүк субстрат (>2000 Вт/м·К), өзгөчө жылуулукту таратуу үчүн R&D астында.

Салыштырмалуу жыйынды таблица

Субстрат тандоонун негизги факторлору

• Аткаруу талаптары:жогорку жыштык үчүн GaAs/InP; жогорку чыңалуу, жогорку температура үчүн SiC; GaAs/InP/GaN оптоэлектроника үчүн.

• Чыгымдардын чектөөлөрү:Керектөөчү электроника кремнийди жактырат; жогорку чендеги талаалар SiC/GaN премиумдарын актай алат.

• Интеграциянын татаалдыгы:Кремний CMOS шайкештиги үчүн алмаштырылгыс бойдон калууда.

• Жылуулук башкаруу:Жогорку кубаттуулуктагы тиркемелер SiC же алмазга негизделген GaNди жактырышат.

• Жеткирүү чынжырынын мөөнөтү:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Future Trend

Гетерогендүү интеграция (мисалы, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) 5G, электр унаалары жана кванттык эсептөөлөрдөгү жетишкендиктерди айдап, өндүрүмдүүлүк менен чыгымды тең салмактайт.