Materii prime cheie pentru producția de semiconductori: Tipuri de substraturi pentru plachete

Substraturile de napolitane ca materiale cheie în dispozitivele semiconductoare

Substraturile de plachete sunt purtătorii fizici ai dispozitivelor semiconductoare, iar proprietățile materialelor lor determină direct performanța, costul și domeniile de aplicare ale dispozitivului. Mai jos sunt prezentate principalele tipuri de substraturi de plachete, împreună cu avantajele și dezavantajele acestora:

1.Siliciu (Si)

• Cotă de piață:Reprezintă peste 95% din piața globală a semiconductorilor.

• Avantaje:

  • Cost scăzut:Materii prime abundente (dioxid de siliciu), procese de fabricație mature și economii de scară puternice.

  • Compatibilitate ridicată a proceselor:Tehnologia CMOS este foarte matură, suportând noduri avansate (de exemplu, 3nm).

  • Calitate excelentă a cristalelor:Se pot cultiva napolitane cu diametru mare (în principal de 12 inci, 18 inci în curs de dezvoltare) cu densitate scăzută de defecte.

  • Proprietăți mecanice stabile:Ușor de tăiat, lustruit și manipulat.

• Dezavantaje:

  • Bandă interzisă îngustă (1,12 eV):Curent de scurgere ridicat la temperaturi ridicate, limitând eficiența dispozitivului de alimentare.

  • Banda interzisă indirectă:Eficiență foarte scăzută a emisiei de lumină, nepotrivită pentru dispozitive optoelectronice precum LED-uri și lasere.

  • Mobilitate limitată a electronilor:Performanță inferioară la frecvență înaltă în comparație cu semiconductorii compuși.
    

2.Arseniură de galiu (GaAs)

• Aplicații:Dispozitive RF de înaltă frecvență (5G/6G), dispozitive optoelectronice (lasere, celule solare).

• Avantaje:

  • Mobilitate ridicată a electronilor (de 5–6 ori mai mare decât cea a siliciului):Potrivit pentru aplicații de mare viteză și înaltă frecvență, cum ar fi comunicațiile cu unde milimetrice.

  • Bandă interzisă directă (1,42 eV):Conversia fotoelectrică de înaltă eficiență, fundamentul laserelor cu infraroșu și al LED-urilor.

  • Rezistență la temperaturi ridicate și radiații:Potrivit pentru industria aerospațială și medii dure.

• Dezavantaje:

  • Cost ridicat:Material insuficient, creștere dificilă a cristalelor (predispus la dislocații), dimensiune limitată a plachetei (în principal 6 inci).

  • Mecanica fragilității:Predispus la fracturi, rezultând un randament scăzut de procesare.

  • Toxicitate:Arsenicul necesită o manipulare strictă și controale de mediu stricte.

3. Carbură de siliciu (SiC)

• Aplicații:Dispozitive de alimentare cu temperatură înaltă și tensiune înaltă (invertoare pentru vehicule electrice, stații de încărcare), industria aerospațială.

• Avantaje:

  • Bandă interzisă largă (3,26 eV):Rezistență mare la rupere (de 10 ori mai mare decât cea a siliciului), toleranță la temperaturi ridicate (temperatură de funcționare >200 °C).

  • Conductivitate termică ridicată (≈3× siliciu):Disipare excelentă a căldurii, permițând o densitate mai mare de putere a sistemului.

  • Pierderi reduse de comutare:Îmbunătățește eficiența conversiei energiei.

• Dezavantaje:

  • Pregătirea dificilă a substratului:Creștere lentă a cristalelor (>1 săptămână), control dificil al defectelor (microțevi, dislocații), cost extrem de ridicat (5–10× siliciu).

  • Dimensiune mică a napolitanei:În principal 4–6 inci; 8 inci este încă în curs de dezvoltare.

  • Dificil de procesat:Foarte dur (Mohs 9.5), ceea ce face ca tăierea și lustruirea să necesite mult timp.

4. Nitrură de galiu (GaN)

• Aplicații:Dispozitive de alimentare de înaltă frecvență (încărcare rapidă, stații de bază 5G), LED-uri/lasere albastre.

• Avantaje:

  • Mobilitate electronică ultra-înaltă + bandă interzisă largă (3,4 eV):Combină performanța de înaltă frecvență (>100 GHz) și de înaltă tensiune.

  • Rezistență scăzută la activare:Reduce pierderile de putere ale dispozitivului.

  • Compatibil cu heteroepitaxia:De obicei, se dezvoltă pe substraturi de siliciu, safir sau SiC, reducând costurile.

• Dezavantaje:

  • Dificultate în creșterea monocristalului în vrac:Heteroepitaxia este obișnuită, dar nepotrivirea rețelei introduce defecte.

  • Cost ridicat:Substraturile native de GaN sunt foarte scumpe (o placă de 2 inci poate costa câteva mii de dolari).

  • Provocări legate de fiabilitate:Fenomene precum colapsul actual necesită optimizare.

5. Fosfură de indiu (InP)

• Aplicații:Comunicații optice de mare viteză (lasere, fotodetectoare), dispozitive terahertz.

• Avantaje:

  • Mobilitate electronică ultra-înaltă:Suportă funcționare >100 GHz, depășind GaAs.

  • Bandă interzisă directă cu adaptare a lungimii de undă:Material de bază pentru comunicații prin fibră optică de 1,3–1,55 μm.

• Dezavantaje:

  • Fragil și foarte scump:Costul substratului depășește 100× siliciu, dimensiuni limitate ale napolitanelor (4–6 inci).

6. Safir (Al₂O₃)

• Aplicații:Iluminare LED (substrat epitaxial GaN), sticlă de acoperire pentru electronice de larg consum.

• Avantaje:

  • Cost scăzut:Mult mai ieftin decât substraturile SiC/GaN.

  • Stabilitate chimică excelentă:Rezistent la coroziune, izolator ridicat.

  • Transparenţă:Potrivit pentru structuri LED verticale.

• Dezavantaje:

  • Nepotrivire mare a rețelei cu GaN (>13%):Provoacă o densitate mare a defectelor, necesitând straturi tampon.

  • Conductivitate termică slabă (~1/20 din siliciu):Limitează performanța LED-urilor de mare putere.

7. Substraturi ceramice (AlN, BeO etc.)

• Aplicații:Disipătoare de căldură pentru module de mare putere.

• Avantaje:

  • Izolație + conductivitate termică ridicată (AlN: 170–230 W/m·K):Potrivit pentru ambalaje cu densitate mare.

• Dezavantaje:

  • Non-monocristal:Nu poate susține direct creșterea dispozitivelor, sunt utilizate doar ca substraturi de ambalare.

8. Substraturi speciale

• SOI (siliciu pe izolator):

  • Structura:Sandviș siliciu/SiO₂/siliciu.

  • Avantaje:Reduce capacitatea parazitară, este întărit la radiații, suprimă scurgerile (utilizat în RF, MEMS).

  • Dezavantaje:Cu 30–50% mai scump decât siliciul vrac.

• Cuarț (SiO₂):Folosit în fotomăști și MEMS; rezistență la temperaturi ridicate, dar foarte fragil.

• Diamant:Substrat cu cea mai mare conductivitate termică (>2000 W/m·K), în curs de cercetare și dezvoltare pentru disipare extremă a căldurii.

Tabel rezumativ comparativ

Factori cheie pentru selecția substratului

• Cerințe de performanță:GaAs/InP pentru înaltă frecvență; SiC pentru înaltă tensiune și temperatură înaltă; GaAs/InP/GaN pentru optoelectronică.

• Restricții de cost:Electronicele de larg consum favorizează siliciul; câmpurile de înaltă performanță pot justifica primele pentru SiC/GaN.

• Complexitatea integrării:Siliciul rămâne de neînlocuit pentru compatibilitatea CMOS.

• Management termic:Aplicațiile de mare putere preferă SiC sau GaN pe bază de diamant.

• Maturitatea lanțului de aprovizionare:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Tendință viitoare

Integrarea eterogenă (de exemplu, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) va echilibra performanța și costul, conducând la progrese în 5G, vehicule electrice și calcul cuantic.