Клучни суровини за производство на полупроводници: Видови на подлоги од плочка

Подлоги од плочка како клучни материјали во полупроводнички уреди

Подлогите од плочка се физички носители на полупроводнички уреди, а нивните материјални својства директно ги одредуваат перформансите на уредот, цената и полињата на примена. Подолу се наведени главните типови на подлоги од плочка, заедно со нивните предности и недостатоци:

1.Силициум (Si)

• Пазарен удел:Сочинува повеќе од 95% од глобалниот пазар на полупроводници.

• Предности:

  • Ниска цена:Изобилство на суровини (силициум диоксид), зрели производствени процеси и силна економичност на обем.

  • Висока компатибилност на процесите:CMOS технологијата е многу развиена, поддржувајќи напредни јазли (на пр., 3nm).

  • Одличен квалитет на кристали:Може да се одгледуваат плотни со голем дијаметар (главно 12-инчни, 18-инчни во фаза на развој) со мала густина на дефекти.

  • Стабилни механички својства:Лесен за сечење, полирање и ракување.

• Недостатоци:

  • Тесен енергетски јаз (1,12 eV):Висока струја на истекување при покачени температури, ограничувајќи ја ефикасноста на уредот за напојување.

  • Индиректен енергетски јаз:Многу ниска ефикасност на емисија на светлина, несоодветна за оптоелектронски уреди како што се LED диоди и ласери.

  • Ограничена подвижност на електрони:Инфериорни перформанси на висока фреквенција во споредба со сложените полупроводници.
    

2.Галиум арсенид (GaAs)

• Апликации:Високофреквентни RF уреди (5G/6G), оптоелектронски уреди (ласери, соларни ќелии).

• Предности:

  • Висока подвижност на електрони (5–6 пати поголема од онаа на силициумот):Погодно за апликации со голема брзина и висока фреквенција, како што е милиметарска комуникација.

  • Директен енергетски јаз (1,42 eV):Високоефикасна фотоелектрична конверзија, основа на инфрацрвените ласери и LED диодите.

  • Отпорност на високи температури и зрачење:Погодно за воздухопловство и сурови средини.

• Недостатоци:

  • Висока цена:Оскуден материјал, тежок раст на кристалите (склоен кон дислокации), ограничена големина на плочката (главно 6 инчи).

  • Кршлива механика:Склони кон кршење, што резултира со низок принос на обработка.

  • Токсичност:Арсенот бара строго ракување и контрола на животната средина.

3. Силициум карбид (SiC)

• Апликации:Уреди за напојување со висока температура и висок напон (инвертори за електрични возила, станици за полнење), воздухопловство.

• Предности:

  • Широк енергетски јаз (3,26 eV):Висока отпорност на распаѓање (10 пати поголема од онаа на силициумот), толеранција на високи температури (работна температура >200 °C).

  • Висока топлинска спроводливост (≈3× силициум):Одлична дисипација на топлина, овозможувајќи поголема густина на моќност на системот.

  • Мала загуба при префрлување:Ја подобрува ефикасноста на конверзија на енергија.

• Недостатоци:

  • Тешка подготовка на подлогата:Бавен раст на кристалите (>1 недела), тешка контрола на дефекти (микропрувки, дислокации), екстремно висока цена (5–10× силициум).

  • Мала големина на плочка:Главно 4–6 инчи; 8-инчниот е сè уште во развој.

  • Тешко за обработка:Многу тврдо (Мохс 9,5), што го прави сечењето и полирањето долготрајно.

4. Галиум нитрид (GaN)

• Апликации:Уреди со висока фреквенција на напојување (брзо полнење, 5G базни станици), сини LED диоди/ласери.

• Предности:

  • Ултра висока електронска мобилност + широк енергетски јаз (3,4 eV):Комбинира перформанси со висока фреквенција (>100 GHz) и висок напон.

  • Низок отпор на вклучување:Ги намалува загубите на енергија на уредот.

  • Компатибилен со хетероепитаксија:Најчесто се одгледува на силиконски, сафирски или SiC подлоги, со што се намалуваат трошоците.

• Недостатоци:

  • Тешко е да се расте во голем број монокристали:Хетероепитаксијата е мејнстрим, но несовпаѓањето на решетката воведува дефекти.

  • Висока цена:Нативните GaN подлоги се многу скапи (плоча од 2 инчи може да чини неколку илјади американски долари).

  • Предизвици за сигурност:Феномени како што е тековниот колапс бараат оптимизација.

5. Индиум фосфид (InP)

• Апликации:Високобрзински оптички комуникации (ласери, фотодетектори), терахерцни уреди.

• Предности:

  • Ултра висока електронска мобилност:Поддржува работа >100 GHz, надминувајќи ги GaAs.

  • Директен енергетски јаз со совпаѓање на брановата должина:Материјал на јадрото за комуникации со оптички влакна од 1,3–1,55 μm.

• Недостатоци:

  • Кршливи и многу скапи:Цената на подлогата надминува 100× силикон, ограничени големини на плочки (4–6 инчи).

6. Сафир (Al₂O₃)

• Апликации:LED осветлување (GaN епитаксијална подлога), стакло за заштита од потрошувачка електроника.

• Предности:

  • Ниска цена:Многу поевтино од подлогите од SiC/GaN.

  • Одлична хемиска стабилност:Отпорен на корозија, високо изолационен.

  • Транспарентност:Погодно за вертикални LED структури.

• Недостатоци:

  • Големо несовпаѓање на решетката со GaN (>13%):Предизвикува висока густина на дефекти, што бара тампон слоеви.

  • Слаба топлинска спроводливост (~1/20 од силициум):Ги ограничува перформансите на LED диодите со голема моќност.

7. Керамички подлоги (AlN, BeO, итн.)

• Апликации:Распрскувачи на топлина за модули со голема моќност.

• Предности:

  • Изолација + висока топлинска спроводливост (AlN: 170–230 W/m·K):Погодно за пакување со висока густина.

• Недостатоци:

  • Не-монокристален:Не може директно да го поддржи растот на уредот, се користи само како подлоги за пакување.

8. Специјални подлоги

• SOI (силициум на изолатор):

  • Структура:Сендвич од силициум/SiO₂/силициум.

  • Предности:Го намалува паразитскиот капацитет, стврднат на зрачење, сузбивање на протекување (се користи во RF, MEMS).

  • Недостатоци:30–50% поскап од силиконот во големи количини.

• Кварц (SiO₂):Се користи во фотомаски и MEMS; отпорност на високи температури, но многу кршлива.

• Дијамант:Подлога со највисока топлинска спроводливост (>2000 W/m·K), под истражување и развој за екстремна дисипација на топлина.

Компаративна табела со резиме

Клучни фактори за избор на подлога

• Барања за перформанси:GaAs/InP за висока фреквенција; SiC за висок напон, висока температура; GaAs/InP/GaN за оптоелектроника.

• Ограничувања на трошоците:Потрошувачката електроника го фаворизира силициумот; врвните полиња можат да ги оправдаат премиите од SiC/GaN.

• Комплексност на интеграцијата:Силициумот останува незаменлив за CMOS компатибилност.

• Термичко управување:Апликациите со висока моќност претпочитаат SiC или GaN базиран на дијамант.

• Зрелост на синџирот на снабдување:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Иден тренд

Хетерогената интеграција (на пр., GaN-на-Si, GaN-на-SiC) ќе ги балансира перформансите и трошоците, поттикнувајќи напредок во 5G, електричните возила и квантното пресметување.