Կիսահաղորդիչների արտադրության հիմնական հումք. Վաֆլային հիմքերի տեսակներ

Վաֆլային հիմքերը որպես կիսահաղորդչային սարքերի հիմնական նյութեր

Վաֆլիային հիմքերը կիսահաղորդչային սարքերի ֆիզիկական կրողներն են, և դրանց նյութական հատկությունները ուղղակիորեն որոշում են սարքի աշխատանքը, արժեքը և կիրառման ոլորտները: Ստորև ներկայացված են վաֆլիային հիմքերի հիմնական տեսակները՝ իրենց առավելություններով և թերություններով.

1.Սիլիցիում (Si)

• Շուկայի մասնաբաժինը՝Այն կազմում է կիսահաղորդչային համաշխարհային շուկայի ավելի քան 95%-ը։

• Առավելություններ՝

  • Ցածր գին։Առատ հումք (սիլիցիումի երկօքսիդ), հասուն արտադրական գործընթացներ և մասշտաբի մեծ տնտեսություն։

  • Բարձր գործընթացային համատեղելիություն.CMOS տեխնոլոգիան բավականին զարգացած է, աջակցում է առաջադեմ հանգույցներին (օրինակ՝ 3 նմ):

  • Գերազանց բյուրեղային որակ.Կարելի է աճեցնել մեծ տրամագծով վեֆլիներ (հիմնականում 12 դյույմանոց, 18 դյույմանոցները մշակման փուլում են)՝ ցածր արատների խտությամբ։

  • Կայուն մեխանիկական հատկություններ.Հեշտ է կտրել, փայլեցնել և մշակել։

• Թերություններ՝

  • Նեղ արգելակային գոտի (1.12 eV):Բարձր արտահոսքի հոսանք բարձր ջերմաստիճաններում, որը սահմանափակում է էլեկտրաէներգիայի սարքի արդյունավետությունը։

  • Անուղղակի գոտիական բացը.Շատ ցածր լույսի ճառագայթման արդյունավետություն, անհարմար է օպտոէլեկտրոնային սարքերի, ինչպիսիք են LED-ները և լազերները, համար։

  • Սահմանափակ էլեկտրոնային շարժունակություն.Բարձր հաճախականության ցածր կատարողականություն՝ համեմատած բարդ կիսահաղորդիչների հետ։
    

2.Գալիումի արսենիդ (GaAs)

• Կիրառություններ՝Բարձր հաճախականության ռադիոհաճախականության սարքեր (5G/6G), օպտոէլեկտրոնային սարքեր (լազերներ, արևային մարտկոցներ):

• Առավելություններ՝

  • Բարձր էլեկտրոնային շարժունակություն (5–6 անգամ ավելի, քան սիլիցիումինը):Հարմար է բարձր արագությամբ, բարձր հաճախականության կիրառությունների համար, ինչպիսիք են միլիմետրային ալիքային կապը։

  • Ուղղակի արգելակային գոտի (1.42 eV):Բարձր արդյունավետության ֆոտոէլեկտրական փոխակերպում, ինֆրակարմիր լազերների և LED-ների հիմքը։

  • Բարձր ջերմաստիճանի և ճառագայթման դիմադրություն.Հարմար է ավիատիեզերական և կոշտ միջավայրերի համար։

• Թերություններ՝

  • Բարձր գին:Սակավ նյութ, դժվար բյուրեղային աճ (հակված է տեղաշարժերի), սահմանափակ վաֆլիի չափս (հիմնականում 6 դյույմ):

  • Փխրուն մեխանիկա.Հակված է կոտրվելու, ինչը հանգեցնում է ցածր մշակման բերքատվության։

  • Թունավորություն.Արսենիկը պահանջում է խիստ մշակում և շրջակա միջավայրի վերահսկողություն։

3. Սիլիցիումի կարբիդ (SiC)

• Կիրառություններ՝Բարձր ջերմաստիճանի և բարձր լարման էլեկտրական սարքեր (էլեկտրամեքենաների ինվերտորներ, լիցքավորման կայաններ), ավիատիեզերական արդյունաբերություն։

• Առավելություններ՝

  • Լայն արգելքային գոտի (3.26 eV):Բարձր քայքայման դիմադրություն (սիլիկոնի 10 անգամ ավելի), բարձր ջերմաստիճանի նկատմամբ դիմադրողականություն (աշխատանքային ջերմաստիճան >200 °C):

  • Բարձր ջերմահաղորդականություն (≈3× սիլիցիում):Գերազանց ջերմափոխանակություն, որը հնարավորություն է տալիս ավելի բարձր համակարգի հզորության խտություն ապահովել։

  • Ցածր անջատման կորուստ.Բարելավում է էներգիայի փոխակերպման արդյունավետությունը։

• Թերություններ՝

  • Դժվար սուբստրատի պատրաստում.Բյուրեղների դանդաղ աճ (>1 շաբաթ), դժվար է վերահսկել թերությունները (միկրոխողովակներ, տեղաշարժեր), չափազանց բարձր գին (5–10× սիլիցիում):

  • Փոքր վաֆլիի չափսը՝Հիմնականում 4–6 դյույմ; 8 դյույմը դեռևս մշակման փուլում է։

  • Դժվար է մշակել.Շատ կարծր է (Մոհս 9.5), ինչը կտրումն ու հղկումը դարձնում է ժամանակատար։

4. Գալիումի նիտրիդ (GaN)

• Կիրառություններ՝Բարձր հաճախականության սնուցման սարքեր (արագ լիցքավորում, 5G բազային կայաններ), կապույտ LED-ներ/լազերներ։

• Առավելություններ՝

  • Գերբարձր էլեկտրոնային շարժունակություն + լայն արգելքային գոտի (3.4 eV):Համակցում է բարձր հաճախականության (>100 ԳՀց) և բարձր լարման աշխատանքը։

  • Ցածր միացման դիմադրություն.Նվազեցնում է սարքի էներգիայի կորուստը։

  • Հետերոէպիտաքսիայի համատեղելիություն.Սովորաբար աճեցվում է սիլիցիումի, շափյուղայի կամ SiC հիմքերի վրա, ինչը նվազեցնում է արժեքը։

• Թերություններ՝

  • Մեծածավալ միաբյուրեղային աճը դժվար է.Հետերոէպիտաքսիան տարածված է, բայց ցանցային անհամապատասխանությունը թերություններ է առաջացնում։

  • Բարձր գին:Բնիկ GaN հիմքերը շատ թանկ են (2 դյույմանոց վեֆերը կարող է արժենալ մի քանի հազար ԱՄՆ դոլար):

  • Հուսալիության մարտահրավերներ.Այնպիսի երևույթներ, ինչպիսին է հոսանքի փլուզումը, պահանջում են օպտիմալացում։

5. Ինդիումի ֆոսֆիդ (InP)

• Կիրառություններ՝Բարձր արագության օպտիկական կապ (լազերներ, լուսադետեկտորներ), տերահերցային սարքեր։

• Առավելություններ՝

  • Գերբարձր էլեկտրոնային շարժունակություն.Աջակցում է >100 ԳՀց հաճախականությամբ աշխատանք՝ գերազանցելով GaAs-ին։

  • Ուղիղ ալիքի երկարության համապատասխանեցմամբ արգելակային գոտի.1.3–1.55 մկմ օպտիկական մանրաթելային կապի համար նախատեսված միջուկի նյութ։

• Թերություններ՝

  • Փխրուն և շատ թանկ։Հիմքի արժեքը գերազանցում է 100× սիլիցիումը, սահմանափակ չափսերով թիթեղներ (4–6 դյույմ):

6. Սապֆիր (Al₂O₃)

• Կիրառություններ՝LED լուսավորություն (GaN էպիտաքսիալ հիմք), սպառողական էլեկտրոնիկայի ծածկող ապակի։

• Առավելություններ՝

  • Ցածր գին։Շատ ավելի էժան է, քան SiC/GaN հիմքերը։

  • Գերազանց քիմիական կայունություն.Կոռոզիայի դիմացկուն, բարձր ջերմամեկուսիչ հատկություններով։

  • Թափանցիկություն։Հարմար է ուղղահայաց LED կառույցների համար:

• Թերություններ՝

  • GaN-ի հետ ցանցի մեծ անհամապատասխանություն (>13%):Առաջացնում է արատների բարձր խտություն, որը պահանջում է բուֆերային շերտեր։

  • Վատ ջերմահաղորդականություն (սիլիցիումի մոտ 1/20-ը):Սահմանափակում է բարձր հզորության LED-ների աշխատանքը։

7. Կերամիկական հիմքեր (AlN, BeO և այլն)

• Կիրառություններ՝Ջերմափոխանակիչներ բարձր հզորության մոդուլների համար։

• Առավելություններ՝

  • Ջերմամեկուսացում + բարձր ջերմահաղորդականություն (AlN: 170–230 Վտ/մ·Կ):Հարմար է բարձր խտության փաթեթավորման համար։

• Թերություններ՝

  • Ոչ միաբյուրեղային՝Չի կարող ուղղակիորեն աջակցել սարքի աճին, օգտագործվում է միայն որպես փաթեթավորման հիմքեր։

8. Հատուկ սուբստրատներ

• SOI (Սիլիցիումի վրա մեկուսիչ):

  • Կառուցվածքը՝Սիլիցիում/SiO₂/սիլիցիումային սենդվիչ։

  • Առավելություններ՝Նվազեցնում է պարազիտային տարողունակությունը, ճառագայթահարման նկատմամբ կարծրացած է, արտահոսքի ճնշումը (օգտագործվում է RF, MEMS-ում):

  • Թերություններ՝30–50%-ով ավելի թանկ է, քան զանգվածային սիլիցիումը։

• Քվարց (SiO₂):Օգտագործվում է լուսանկարչական դիմակներում և MEMS-ներում; դիմացկուն է բարձր ջերմաստիճաններին, բայց շատ փխրուն է։

• Ադամանդ:Ամենաբարձր ջերմահաղորդականությամբ հիմք (>2000 Վտ/մ·Կ), որը գտնվում է հետազոտությունների և զարգացման փուլում՝ ծայրահեղ ջերմության ցրման համար։

Համեմատական ​​ամփոփ աղյուսակ

Հիմքի ընտրության հիմնական գործոնները

• Կատարողականի պահանջներ՝GaAs/InP՝ բարձր հաճախականության համար; SiC՝ բարձր լարման, բարձր ջերմաստիճանի համար; GaAs/InP/GaN՝ օպտոէլեկտրոնիկայի համար։

• Արժեքի սահմանափակումներ՝Սպառողական էլեկտրոնիկան նախընտրում է սիլիցիումը. բարձրակարգ դաշտերը կարող են արդարացնել SiC/GaN հավելավճարները։

• Ինտեգրման բարդությունը՝Սիլիցիումը մնում է անփոխարինելի CMOS համատեղելիության համար։

• Ջերմային կառավարում.Բարձր հզորության կիրառությունները նախընտրում են SiC կամ ադամանդի վրա հիմնված GaN:

• Մատակարարման շղթայի հասունություն.Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Ապագայի միտում

Հետերոգեն ինտեգրացիան (օրինակ՝ GaN-ը Si-ի վրա, GaN-ը SiC-ի վրա) կհավասարակշռի արտադրողականությունը և արժեքը՝ խթանելով 5G-ի, էլեկտրական տրանսպորտային միջոցների և քվանտային հաշվարկների առաջընթացը։