Lykilhráefni fyrir framleiðslu hálfleiðara: Tegundir skífuundirlaga

Skífuundirlag sem lykilefni í hálfleiðaratækjum

Skífuundirlag eru efnislegir burðarefni hálfleiðara og efniseiginleikar þeirra hafa bein áhrif á afköst, kostnað og notkunarsvið tækisins. Hér að neðan eru helstu gerðir skífuundirlags ásamt kostum og göllum þeirra:

1.Kísill (Si)

• Markaðshlutdeild:Tekur við meira en 95% af heimsmarkaði hálfleiðara.

• Kostir:

  • Lágt verð:Ríkulegt hráefni (kísildíoxíð), þroskuð framleiðsluferli og sterk stærðarhagkvæmni.

  • Mikil ferlissamhæfni:CMOS-tækni er mjög þroskuð og styður háþróaða hnúta (t.d. 3nm).

  • Frábær kristal gæði:Hægt er að rækta stórar skífur (aðallega 12 tommur, 18 tommur í þróun) með lágum gallaþéttleika.

  • Stöðugir vélrænir eiginleikar:Auðvelt að skera, pússa og meðhöndla.

• Ókostir:

  • Þröngt bandgap (1,12 eV):Mikill lekastraumur við hátt hitastig, sem takmarkar skilvirkni aflgjafans.

  • Óbein bandbil:Mjög lág ljósnýting, óhentug fyrir ljósleiðara eins og LED og leysigeisla.

  • Takmörkuð hreyfanleiki rafeinda:Verri afköst í hátíðni samanborið við samsetta hálfleiðara.
    

2.Gallíumarseníð (GaAs)

• Umsóknir:Hátíðni RF tæki (5G/6G), ljósfræðileg tæki (leysir, sólarsellur).

• Kostir:

  • Mikil rafeindahreyfanleiki (5–6 sinnum meiri en hjá kísill):Hentar fyrir háhraða og hátíðniforrit eins og millimetrabylgjusamskipti.

  • Bein bandgap (1,42 eV):Hágæða ljósvirk umbreyting, grunnurinn að innrauðum leysigeislum og LED ljósum.

  • Hár hiti og geislunarþol:Hentar fyrir geimferðir og erfiðar aðstæður.

• Ókostir:

  • Hár kostnaður:Skortur á efni, erfiður kristallavöxtur (tilhneigt til úrfærslu), takmörkuð stærð skífu (aðallega 6 tommur).

  • Brothætt vélfræði:Tilhneigt til brots, sem leiðir til lágrar vinnsluárangurs.

  • Eituráhrif:Arsen krefst strangrar meðhöndlunar og umhverfiseftirlits.

3. Kísillkarbíð (SiC)

• Umsóknir:Háhita- og háspennuafltæki (inverterar fyrir rafbíla, hleðslustöðvar), flug- og geimferðir.

• Kostir:

  • Breitt bandgap (3,26 eV):Mikill niðurbrotsstyrkur (10 sinnum meiri en kísill), þolir hátt hitastig (rekstrarhiti >200 °C).

  • Mikil varmaleiðni (≈3× kísill):Frábær varmaleiðni, sem gerir kleift að auka aflþéttleika kerfisins.

  • Lítið rofatap:Bætir skilvirkni orkubreytingar.

• Ókostir:

  • Krefjandi undirbúningur undirlags:Hægur kristallavöxtur (>1 vika), erfið gallastjórnun (örpípur, úrfærslur), afar hár kostnaður (5–10× kísill).

  • Lítil stærð af vöfflu:Aðallega 4–6 tommur; 8 tommur enn í þróun.

  • Erfitt í vinnslu:Mjög hart (Mohs 9,5), sem gerir skurð og pússun tímafrek.

4. Gallíumnítríð (GaN)

• Umsóknir:Hátíðni rafmagnatæki (hraðhleðsla, 5G stöðvar), blá LED ljós/leysir.

• Kostir:

  • Mjög mikil rafeindahreyfanleiki + breitt bandgap (3,4 eV):Sameinar hátíðni (>100 GHz) og háspennuafköst.

  • Lágt kveikt viðnám:Minnkar orkutap tækisins.

  • Samhæft við heteroepitaxi:Algengt er að rækta það á kísil-, safír- eða SiC-undirlögum, sem lækkar kostnað.

• Ókostir:

  • Erfiður vöxtur eins kristalla í lausu:Heteroepitaxy er almennt til staðar, en grindarmisræmi veldur göllum.

  • Hár kostnaður:Innfædd GaN undirlag eru mjög dýr (2 tommu skífa getur kostað nokkur þúsund Bandaríkjadali).

  • Áreiðanleikaáskoranir:Fyrirbæri eins og núverandi hrun krefjast hagræðingar.

5. Indíumfosfíð (InP)

• Umsóknir:Háhraða ljósleiðarafjarskipti (leysir, ljósnemar), terahertz tæki.

• Kostir:

  • Mjög mikil hreyfanleiki rafeinda:Styður >100 GHz notkun, sem er betri en GaAs.

  • Bein bandbil með bylgjulengdarsamsvörun:Kjarnaefni fyrir 1,3–1,55 μm ljósleiðarasamskipti.

• Ókostir:

  • Brotthætt og mjög dýrt:Kostnaður við undirlag fer yfir 100× kísill, takmarkaðar stærðir á skífum (4–6 tommur).

6. Safír (Al₂O₃)

• Umsóknir:LED lýsing (GaN epitaxial undirlag), gler fyrir neytendatækni.

• Kostir:

  • Lágt verð:Miklu ódýrara en SiC/GaN undirlag.

  • Frábær efnafræðilegur stöðugleiki:Tæringarþolinn, mjög einangrandi.

  • Gagnsæi:Hentar fyrir lóðréttar LED-byggingar.

• Ókostir:

  • Stórt grindarmisræmi við GaN (>13%):Veldur mikilli gallaþéttleika, sem krefst stuðpúðalaga.

  • Léleg varmaleiðni (~1/20 af sílikoni):Takmarkar afköst háafls LED ljósa.

7. Keramik undirlag (AlN, BeO, o.s.frv.)

• Umsóknir:Hitadreifarar fyrir háafls einingar.

• Kostir:

  • Einangrun + mikil varmaleiðni (AlN: 170–230 W/m·K):Hentar fyrir umbúðir með mikilli þéttleika.

• Ókostir:

  • Ekki einkristall:Getur ekki stutt vöxt tækja beint, aðeins notað sem umbúðaundirlag.

8. Sérstök undirlag

• SOI (kísill á einangrunarefni):

  • Uppbygging:Kísill/SiO₂/kísill samloka.

  • Kostir:Minnkar sníkjudýraafkastagetu, geislunarhert, lekavörn (notað í RF, MEMS).

  • Ókostir:30–50% dýrara en kísill í lausu.

• Kvars (SiO₂):Notað í ljósgrímur og MEMS; þolir háan hita en er mjög brothætt.

• Demantur:Undirlag með hæstu varmaleiðni (>2000 W/m·K), í rannsóknum og þróun fyrir mikla varmaleiðni.

Samanburðartöflu yfirlits

Lykilþættir við val á undirlagi

• Kröfur um afköst:GaAs/InP fyrir hátíðni; SiC fyrir háspennu og hátt hitastig; GaAs/InP/GaN fyrir ljósfræðilega rafeindabúnað.

• Kostnaðartakmarkanir:Neytendatækni kýs sílikon en háþróuð svið geta réttlætt iðgjald fyrir SiC/GaN.

• Flækjustig samþættingar:Kísill er ómissandi fyrir CMOS-samhæfni.

• Hitastjórnun:Háafkastamiklir notkunarmöguleikar kjósa SiC eða demantbundið GaN.

• Þroski framboðskeðjunnar:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Framtíðarþróun

Ósamræmd samþætting (t.d. GaN-á-Si, GaN-á-SiC) mun vega og meta afköst og kostnað, sem knýr áfram framfarir í 5G, rafknúnum ökutækjum og skammtafræði.