Pooljuhtide tootmise peamised toorained: vahvlialuste tüübid

Vahvlialused kui pooljuhtseadmete võtmematerjalid

Kiipsubstraadid on pooljuhtseadmete füüsikalised kandjad ning nende materjaliomadused määravad otseselt seadme jõudluse, maksumuse ja rakendusvaldkonnad. Allpool on toodud peamised kiipsubstraatide tüübid koos nende eeliste ja puudustega:

1.Räni (Si)

• Turuosa:Moodustab üle 95% maailma pooljuhtide turust.

• Eelised:

  • Madal hind:Külluslik tooraine (ränidioksiid), küpsed tootmisprotsessid ja tugev mastaabisääst.

  • Kõrge protsesside ühilduvus:CMOS-tehnoloogia on väga küps, toetades täiustatud sõlmi (nt 3nm).

  • Suurepärane kristallide kvaliteet:Kasvatada saab suure läbimõõduga vahvleid (peamiselt 12-tollised, 18-tollised on arendusjärgus) ja madala defektide tihedusega.

  • Stabiilsed mehaanilised omadused:Lihtne lõigata, poleerida ja käsitseda.

• Puudused:

  • Kitsas keelutsoon (1,12 eV):Kõrge lekkevool kõrgetel temperatuuridel, mis piirab toiteseadme efektiivsust.

  • Kaudne keelutsoon:Väga madal valguskiirguse efektiivsus, ei sobi optoelektrooniliste seadmete, näiteks LED-ide ja laserite jaoks.

  • Piiratud elektronide liikuvus:Madalam kõrgsageduslik jõudlus võrreldes liitpooljuhtidega.
    

2.Galliumarseniid (GaAs)

• Rakendused:Kõrgsageduslikud raadiosageduslikud seadmed (5G/6G), optoelektroonilised seadmed (laserid, päikesepatareid).

• Eelised:

  • Suur elektronide liikuvus (5–6 korda räni omast):Sobib kiirete ja kõrgsageduslike rakenduste jaoks, näiteks millimeeterlaine kommunikatsiooniks.

  • Otsene keelutsoon (1,42 eV):Kõrgefektiivne fotoelektriline muundamine, infrapunalaserite ja LED-ide alus.

  • Kõrge temperatuuri- ja kiirguskindlus:Sobib kasutamiseks lennunduses ja karmides keskkondades.

• Puudused:

  • Kõrge hind:Napp materjali, keeruline kristallide kasv (kalduvus nihestustele), piiratud vahvli suurus (peamiselt 6-tolline).

  • Habras mehaanika:Kalduvus purunemisele, mille tulemuseks on madal töötlemissaagis.

  • Toksilisus:Arseen nõuab ranget käitlemist ja keskkonnakontrolli.

3. Ränikarbiid (SiC)

• Rakendused:Kõrgtemperatuurilised ja kõrgepinge jõuseadmed (elektrisõidukite inverterid, laadimisjaamad), lennundus.

• Eelised:

  • Lai keelutsoon (3,26 eV):Suur purunemistugevus (10 korda räni omast), talub kõrgeid temperatuure (töötemperatuur >200 °C).

  • Kõrge soojusjuhtivus (≈3× räni):Suurepärane soojuseraldus, mis võimaldab suuremat süsteemi võimsustihedust.

  • Madal lülituskaod:Parandab energia muundamise efektiivsust.

• Puudused:

  • Aluspinna ettevalmistamine on keeruline:Aeglane kristallide kasv (>1 nädal), keeruline defektide kontroll (mikrotorud, dislokatsioonid), äärmiselt kõrge hind (5–10× räni).

  • Väike vahvli suurus:Peamiselt 4–6 tolli; 8-tolline on veel väljatöötamisel.

  • Raske töödelda:Väga kõva (Mohsi skaala 9,5), mistõttu on lõikamine ja poleerimine aeganõudev.

4. Galliumnitriid (GaN)

• Rakendused:Kõrgsageduslikud toiteseadmed (kiirlaadimine, 5G tugijaamad), sinised LED-id/laserid.

• Eelised:

  • Ülikõrge elektronide liikuvus + lai keelutsoon (3,4 eV):Ühendab kõrgsagedusliku (>100 GHz) ja kõrgepinge jõudluse.

  • Madal sisselülitustakistus:Vähendab seadme energiakadu.

  • Heteroepitaksiaga ühilduv:Tavaliselt kasvatatakse räni-, safiir- või SiC-aluspindadel, mis vähendab kulusid.

• Puudused:

  • Üksikute kristallide massiline kasv on keeruline:Heteroepitaksia on peavoolus, kuid võre mittevastavus tekitab defekte.

  • Kõrge hind:Natiivsed GaN-aluspinnad on väga kallid (2-tolline vahvel võib maksta mitu tuhat USA dollarit).

  • Usaldusväärsusega seotud väljakutsed:Sellised nähtused nagu praegune kokkuvarisemine vajavad optimeerimist.

5. Indiumfosfiid (InP)

• Rakendused:Kiire optiline side (laserid, fotodetektorid), terahertsiseadmed.

• Eelised:

  • Ülikõrge elektronide liikuvus:Toetab üle 100 GHz töötamist, edestades GaAs-i jõudlust.

  • Otsene keelutsoon lainepikkuse sobitamisega:Südamikumaterjal 1,3–1,55 μm optilise kiu side jaoks.

• Puudused:

  • Habras ja väga kallis:Aluspinna maksumus ületab 100× räni, piiratud vahvlite suurused (4–6 tolli).

6. Safiir (Al₂O₃)

• Rakendused:LED-valgustid (GaN epitaksiaalne aluspind), tarbeelektroonika katteklaas.

• Eelised:

  • Madal hind:Palju odavam kui SiC/GaN aluspinnad.

  • Suurepärane keemiline stabiilsus:Korrosioonikindel, väga hea isoleerivusega.

  • Läbipaistvus:Sobib vertikaalsetele LED-struktuuridele.

• Puudused:

  • Suur võre mittevastavus GaN-iga (>13%):Põhjustab suurt defektide tihedust, mis nõuab puhverkihte.

  • Halb soojusjuhtivus (~1/20 räni):Piirab suure võimsusega LED-ide jõudlust.

7. Keraamilised aluspinnad (AlN, BeO jne)

• Rakendused:Suure võimsusega moodulite soojusjaoturid.

• Eelised:

  • Isolatsioon + kõrge soojusjuhtivus (AlN: 170–230 W/m·K):Sobib suure tihedusega pakendamiseks.

• Puudused:

  • Mitte-monokristall:Ei saa otseselt toetada seadme kasvu, kasutatakse ainult pakkematerjalina.

8. Spetsiaalsed aluspinnad

• SOI (räni isolaatoril):

  • Struktuur:Räni/SiO₂/räni võileib.

  • Eelised:Vähendab parasiitset mahtuvust, on kiirguskindel, lekke summutab (kasutatakse raadiosageduslikes ja MEMS-süsteemides).

  • Puudused:30–50% kallim kui räni lahtiselt.

• Kvarts (SiO₂):Kasutatakse fotomaskides ja MEMS-ides; kõrge temperatuuritaluvus, kuid väga habras.

• Teemant:Kõrgeima soojusjuhtivusega aluspind (>2000 W/m·K), äärmusliku soojuse hajutamise tagamiseks teadus- ja arendustegevuses.

Võrdlev kokkuvõtlik tabel

Substraadi valiku peamised tegurid

• Jõudlusnõuded:GaAs/InP kõrgsageduslikuks kasutamiseks; SiC kõrgepinge ja kõrge temperatuuri jaoks; GaAs/InP/GaN optoelektroonika jaoks.

• Kulupiirangud:Tarbeelektroonika eelistab räni; tipptasemel valdkonnad võivad õigustada SiC/GaN lisatasusid.

• Integratsiooni keerukus:Räni jääb CMOS-ühilduvuse jaoks asendamatuks.

• Soojusjuhtimine:Suure võimsusega rakendused eelistavad SiC-i või teemantpõhist GaN-i.

• Tarneahela küpsus:Si > Safiir > GaAs > SiC > GaN > InP.

Tulevikutrend

Heterogeenne integratsioon (nt GaN-on-Si, GaN-on-SiC) tasakaalustab jõudlust ja kulusid, edendades 5G, elektriautode ja kvantarvutuse valdkonda.