Ключови суровини за производство на полупроводници: Видове подложки за пластини

Вафлени субстрати като ключови материали в полупроводниковите устройства

Вафлените подложки са физическите носители на полупроводникови устройства, а свойствата на материала им директно определят производителността, цената и областите на приложение на устройството. По-долу са изброени основните видове вафлени подложки, заедно с техните предимства и недостатъци:

1.Силиций (Si)

• Пазарен дял:Той представлява повече от 95% от световния пазар на полупроводници.

• Предимства:

  • Ниска цена:Изобилие от суровини (силициев диоксид), зрели производствени процеси и силни икономии от мащаба.

  • Висока съвместимост с процесите:CMOS технологията е много зряла и поддържа усъвършенствани възли (например 3nm).

  • Отлично качество на кристалите:Могат да се отглеждат пластини с голям диаметър (предимно 12-инчови, 18-инчови в процес на разработка) с ниска плътност на дефектите.

  • Стабилни механични свойства:Лесен за рязане, полиране и обработка.

• Недостатъци:

  • Тясна забранена зона (1,12 eV):Висок ток на утечка при повишени температури, ограничаващ ефективността на захранващото устройство.

  • Непряка забранена зона:Много ниска ефективност на светлинно излъчване, неподходяща за оптоелектронни устройства като светодиоди и лазери.

  • Ограничена мобилност на електроните:По-лоши високочестотни характеристики в сравнение със съставните полупроводници.
    

2.Галиев арсенид (GaAs)

• Приложения:Високочестотни RF устройства (5G/6G), оптоелектронни устройства (лазери, слънчеви клетки).

• Предимства:

  • Висока мобилност на електроните (5–6 пъти тази на силиция):Подходящ за високоскоростни, високочестотни приложения, като например милиметрова вълнова комуникация.

  • Директна забранена зона (1.42 eV):Високоефективно фотоелектрично преобразуване, основата на инфрачервените лазери и светодиодите.

  • Устойчивост на висока температура и радиация:Подходящ за аерокосмическата индустрия и тежки условия.

• Недостатъци:

  • Висока цена:Оскъден материал, труден растеж на кристали (склонни към дислокации), ограничен размер на пластината (предимно 6 инча).

  • Крехка механика:Склонен към счупване, което води до нисък добив на обработка.

  • Токсичност:Арсенът изисква стриктно боравене и екологичен контрол.

3. Силициев карбид (SiC)

• Приложения:Устройства за захранване с висока температура и високо напрежение (инвертори за електрически превозни средства, зарядни станции), аерокосмическа индустрия.

• Предимства:

  • Широка забранена зона (3.26 eV):Висока якост на пробив (10 пъти по-голяма от тази на силиция), устойчивост на високи температури (работна температура >200 °C).

  • Висока топлопроводимост (≈3× силиций):Отлично разсейване на топлината, което позволява по-висока плътност на мощността на системата.

  • Ниска загуба при превключване:Подобрява ефективността на преобразуване на енергия.

• Недостатъци:

  • Предизвикателна подготовка на субстрата:Бавен растеж на кристалите (>1 седмица), труден контрол на дефектите (микротръбички, дислокации), изключително висока цена (5–10× повече силиций).

  • Малък размер на вафлата:Главно 4–6 инча; 8-инчовият все още е в процес на разработка.

  • Трудно за обработка:Много твърд (Mohs 9.5), което прави рязането и полирането отнемащи време.

4. Галиев нитрид (GaN)

• Приложения:Високочестотни захранващи устройства (бързо зареждане, 5G базови станции), сини светодиоди/лазери.

• Предимства:

  • Ултрависока мобилност на електроните + широка забранена зона (3,4 eV):Комбинира високочестотна (>100 GHz) и високоволтова производителност.

  • Ниско съпротивление във включено състояние:Намалява загубите на мощност на устройството.

  • Съвместим с хетероепитаксията:Често се отглежда върху силициеви, сапфирени или SiC подложки, което намалява разходите.

• Недостатъци:

  • Трудно е да се отглеждат монокристали в насипно състояние:Хетероепитаксията е широко разпространена, но несъответствието на решетката въвежда дефекти.

  • Висока цена:Нативните GaN субстрати са много скъпи (2-инчова пластина може да струва няколко хиляди щатски долара).

  • Предизвикателства, свързани с надеждността:Явления като текущ колапс изискват оптимизация.

5. Индиев фосфид (InP)

• Приложения:Високоскоростни оптични комуникации (лазери, фотодетектори), терагерцови устройства.

• Предимства:

  • Ултрависока мобилност на електрони:Поддържа работа >100 GHz, превъзхождайки GaAs.

  • Директна забранена зона със съгласуване на дължината на вълната:Материал за сърцевина за комуникации с оптични влакна с дебелина 1,3–1,55 μm.

• Недостатъци:

  • Крехко и много скъпо:Цената на субстрата надвишава 100 пъти цената на силиция, ограничени размери на пластините (4–6 инча).

6. Сапфир (Al₂O₃)

• Приложения:LED осветление (GaN епитаксиален субстрат), покривно стъкло за потребителска електроника.

• Предимства:

  • Ниска цена:Много по-евтино от SiC/GaN субстратите.

  • Отлична химическа стабилност:Устойчив на корозия, силно изолиращ.

  • Прозрачност:Подходящ за вертикални LED структури.

• Недостатъци:

  • Голямо несъответствие на решетката с GaN (>13%):Причинява висока плътност на дефектите, изискваща буферни слоеве.

  • Слаба топлопроводимост (~1/20 от силиция):Ограничава производителността на мощните светодиоди.

7. Керамични подложки (AlN, BeO и др.)

• Приложения:Топлоразпределители за високомощни модули.

• Предимства:

  • Изолация + висока топлопроводимост (AlN: 170–230 W/m·K):Подходящ за опаковки с висока плътност.

• Недостатъци:

  • Немонокристален:Не може директно да поддържа растежа на устройството, използва се само като опаковъчни основи.

8. Специални субстрати

• SOI (Силиций върху изолатор):

  • Структура:Силиций/SiO₂/силициев сандвич.

  • Предимства:Намалява паразитния капацитет, радиационно-устойчив, потиска течовете (използва се в RF, MEMS).

  • Недостатъци:30–50% по-скъп от насипния силиций.

• Кварц (SiO₂):Използва се във фотомаски и MEMS; устойчив на високи температури, но е много крехък.

• Диамант:Субстрат с най-висока топлопроводимост (>2000 W/m·K), в процес на научноизследователска и развойна дейност за изключително разсейване на топлината.

Сравнителна обобщаваща таблица

Ключови фактори за избор на субстрат

• Изисквания за производителност:GaAs/InP за висока честота; SiC за високо напрежение, висока температура; GaAs/InP/GaN за оптоелектроника.

• Ограничения на разходите:Потребителската електроника предпочита силиция; високият клас технологии може да оправдае премиите за SiC/GaN.

• Сложност на интеграцията:Силицият остава незаменим за CMOS съвместимост.

• Термично управление:Приложенията с висока мощност предпочитат SiC или GaN на диамантена основа.

• Зрялост на веригата за доставки:Si > сапфир > GaAs > SiC > GaN > InP.

Бъдеща тенденция

Хетерогенната интеграция (напр. GaN-върху-Si, GaN-върху-SiC) ще балансира производителността и цената, стимулирайки напредъка в 5G, електрическите превозни средства и квантовите изчисления.