Wichtige grûnstoffen foar healgeleiderproduksje: Soarten wafersubstraten

Wafersubstraten as wichtige materialen yn healgeleiderapparaten

Wafersubstraten binne de fysike dragers fan healgeleiderapparaten, en har materiaaleigenskippen bepale direkt de prestaasjes, kosten en tapassingsfjilden fan apparaten. Hjirûnder binne de wichtichste soarten wafersubstraten tegearre mei har foar- en neidielen:

1.Silisium (Si)

• Merkoandiel:Fertsjintwurdiget mear as 95% fan 'e wrâldwide merk foar semiconductors.

• Foardielen:

  • Lege kosten:Oerfloedige grûnstoffen (siliciumdiokside), folwoeksen produksjeprosessen en sterke skaalfoardielen.

  • Hege proseskompatibiliteit:CMOS-technology is tige folwoeksen, en stipet avansearre knooppunten (bygelyks 3nm).

  • Uitstekende kristalkwaliteit:Wafers mei in grutte diameter (benammen 12-inch, 18-inch yn ûntwikkeling) mei in lege defekttichtens kinne groeid wurde.

  • Stabile meganyske eigenskippen:Maklik te snijen, te poetsen en te behanneljen.

• Neidielen:

  • Smelle bandgap (1.12 eV):Hege lekstroom by ferhege temperatueren, wat de effisjinsje fan stroomfoarsjenningsapparaten beheint.

  • Yndirekte bandgap:Hiel lege ljochtemisje-effisjinsje, net geskikt foar opto-elektronyske apparaten lykas LED's en lasers.

  • Beheinde elektronmobiliteit:Mindere hege-frekwinsje prestaasjes yn ferliking mei gearstalde healgeleiders.
    

2.Galliumarsenide (GaAs)

• Applikaasjes:Hegefrekwinsje RF-apparaten (5G/6G), opto-elektronyske apparaten (lasers, sinnesellen).

• Foardielen:

  • Hege elektronmobiliteit (5–6× dy fan silisium):Geskikt foar hege-snelheid, hege-frekwinsje tapassingen lykas millimeter-golf kommunikaasje.

  • Direkte bandgap (1.42 eV):Heech-effisjinsje fotoelektryske konverzje, de basis fan ynfraread lasers en LED's.

  • Hege temperatuer en strielingsresistinsje:Geskikt foar loftfeart en rûge omjouwings.

• Neidielen:

  • Hege kosten:Skraal materiaal, lestige kristalgroei (gefoelich foar ûntwrichtingen), beheinde wafergrutte (benammen 6-inch).

  • Brosse meganika:Gefoelich foar brekken, wat resulteart yn in lege ferwurkingsopbringst.

  • Toksisiteit:Arseen fereasket strange ôfhanneling en miljeukontrôles.

3. Silisiumkarbid (SiC)

• Applikaasjes:Hege-temperatuer- en hege-spanningsapparaten (EV-omvormers, oplaadstasjons), loftfeart.

• Foardielen:

  • Brede bandgap (3.26 eV):Hege trochbraaksterkte (10× dy fan silisium), hege temperatuertolerânsje (wurktemperatuer >200 °C).

  • Hege termyske geliedingsfermogen (≈3× silisium):Uitstekende waarmteôffier, wêrtroch in hegere systeemkrêftdichtheid mooglik is.

  • Leech skeakelferlies:Ferbetteret de effisjinsje fan enerzjykonverzje.

• Neidielen:

  • Útdaagjende substraat tarieding:Trage kristalgroei (>1 wike), lestige defektkontrôle (mikropipen, dislokaasjes), ekstreem hege kosten (5–10× silisium).

  • Lytse wafergrutte:Benammen 4–6 inch; 8-inch noch yn ûntwikkeling.

  • Dreech te ferwurkjen:Hiel hurd (Mohs 9.5), wêrtroch snijden en polijsten tiidslinend is.

4. Galliumnitride (GaN)

• Applikaasjes:Hegefrekwinsje-stroomfoarsjenningsapparaten (snelladen, 5G-basisstasjons), blauwe LED's/lasers.

• Foardielen:

  • Ultrahege elektronmobiliteit + brede bandgap (3.4 eV):Kombinearret hege-frekwinsje (> 100 GHz) en hege-spanning prestaasjes.

  • Leech oan-wjerstân:Ferminderet ferlies fan stroom fan it apparaat.

  • Kompatibel mei heteroepitaxi:Gewoanlik groeid op silisium-, saffier- of SiC-substraten, wêrtroch't de kosten fermindere wurde.

• Neidielen:

  • Bulk single-kristal groei lestich:Heteroepitaxi is mainstream, mar roostermismatch yntrodusearret defekten.

  • Hege kosten:Native GaN-substraten binne tige djoer (in wafer fan 2 inch kin ferskate tûzenen USD kostje).

  • Betrouberensútdagings:Ferskynsels lykas hjoeddeistige ynstoarting fereaskje optimalisaasje.

5. Indiumfosfide (InP)

• Applikaasjes:Hege-snelheid optyske kommunikaasje (lasers, fotodetektors), terahertz-apparaten.

• Foardielen:

  • Ultrahege elektronmobiliteit:Stipet operaasje fan >100 GHz, en presteart better as GaAs.

  • Direkte bandgap mei golflingte-oanpassing:Kearnmateriaal foar 1.3–1.55 μm optyske glêstriedkommunikaasje.

• Neidielen:

  • Bros en tige djoer:Substraatkosten binne mear as 100× silisium, beheinde wafergruttes (4–6 inch).

6. Saffier (Al₂O₃)

• Applikaasjes:LED-ferljochting (GaN epitaksiaal substraat), dekglês foar konsuminteelektronika.

• Foardielen:

  • Lege kosten:Folle goedkeaper as SiC/GaN-substraten.

  • Uitstekende gemyske stabiliteit:Korrosjebestindich, heech isolearjend.

  • Transparânsje:Geskikt foar fertikale LED-struktueren.

• Neidielen:

  • Grutte roostermismatch mei GaN (>13%):Feroarsaket hege defekttichtens, wêrtroch bufferlagen nedich binne.

  • Minne termyske geliedingsfermogen (~1/20 fan silisium):Beheint de prestaasjes fan LED's mei hege krêft.

7. Keramyske substraten (AlN, BeO, ensfh.)

• Applikaasjes:Waarmtefersprieders foar modules mei hege fermogen.

• Foardielen:

  • Isolearjend + hege termyske geliedingsfermogen (AlN: 170–230 W/m·K):Geskikt foar ferpakking mei hege tichtheid.

• Neidielen:

  • Net-ienkristal:Kin apparaatgroei net direkt stypje, allinich brûkt as ferpakkingssubstraten.

8. Spesjale substraten

• SOI (Silikon op isolator):

  • Struktuer:Silisium/SiO₂/silisium sandwich.

  • Foardielen:Ferminderet parasitêre kapasitans, strielingsferhurde, lekûnderdrukking (brûkt yn RF, MEMS).

  • Neidielen:30–50% djoerder as bulk silisium.

• Kwarts (SiO₂):Gebrûkt yn fotomaskers en MEMS; hege temperatuerresistinsje mar tige bros.

• Diamant:Substraat mei de heechste termyske geliedingsfermogen (>2000 W/m·K), ûnder R&D foar ekstreme waarmteôffier.

Ferlykjende gearfettingstabel

Wichtige faktoaren foar substraatseleksje

• Prestaasje-easken:GaAs/InP foar hege frekwinsje; SiC foar hege spanning, hege temperatuer; GaAs/InP/GaN foar opto-elektroanika.

• Kostenbeperkingen:Konsuminte-elektroanika jout foarkar oan silisium; high-end fjilden kinne SiC/GaN-preemjes rjochtfeardigje.

• Yntegraasjekompleksiteit:Silisium bliuwt ûnferfangber foar CMOS-kompatibiliteit.

• Termysk behear:Heechkrêftige tapassingen hawwe leaver SiC of GaN op basis fan diamant.

• Folwoeksenheid fan 'e leveringsketen:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Takomstige trend

Heterogene yntegraasje (bygelyks GaN-op-Si, GaN-op-SiC) sil prestaasjes en kosten yn lykwicht bringe, wêrtroch foarútgong yn 5G, elektryske auto's en kwantumkompjûters driuwt.