Matyè premyè kle pou pwodiksyon semi-kondiktè: Kalite substrats wafer

Substrat wafer kòm materyèl kle nan aparèy semi-kondiktè

Substrat wafer yo se sipò fizik aparèy semi-kondiktè yo, epi pwopriyete materyèl yo detèmine dirèkteman pèfòmans aparèy la, pri a, ak domèn aplikasyon yo. Anba la a se prensipal kalite substrat wafer yo ansanm ak avantaj ak dezavantaj yo:

1.Silisyòm (Si)

• Pataje sou mache a:Kont pou plis pase 95% nan mache mondyal semi-kondiktè a.

• Avantaj:

  • Pri ki ba:Abondan matyè premyè (diyoksid Silisyòm), pwosesis fabrikasyon ki byen devlope, ak gwo ekonomi de echèl.

  • Segondè konpatibilite pwosesis:Teknoloji CMOS la trè matirite, li sipòte nœuds avanse (pa egzanp, 3nm).

  • Ekselan kalite kristal:Yo ka kiltive waflè gwo dyamèt (sitou 12 pous, 18 pous anba devlopman) ki gen yon dansite domaj ki ba.

  • Pwopriyete mekanik ki estab:Fasil pou koupe, poli, epi manyen.

• Dezavantaj:

  • Espas bann etwat (1.12 eV):Gwo kouran flit nan tanperati ki wo, sa ki limite efikasite aparèy pouvwa a.

  • Espas bann endirèk:Efikasite emisyon limyè ki trè ba, pa apwopriye pou aparèy optoelektwonik tankou LED ak lazè.

  • Mobilite elektwon limite:Pèfòmans segondè frekans enferyè konpare ak semi-kondiktè konpoze.
    

2.Galyòm Arseniur (GaAs)

• Aplikasyon yo:Aparèy RF wo-frekans (5G/6G), aparèy optoelektwonik (lazè, selil solè).

• Avantaj:

  • Gwo mobilite elektwon (5–6 fwa sa Silisyòm):Apwopriye pou aplikasyon gwo vitès ak gwo frekans tankou kominikasyon ond milimèt.

  • Espas bann dirèk (1.42 eV):Konvèsyon fotoelektrik ki gen gwo efikasite, fondasyon lazè enfrawouj ak LED.

  • Rezistans tanperati ki wo ak radyasyon:Apwopriye pou ayewospasyal ak anviwònman difisil.

• Dezavantaj:

  • Pri ki wo:Materyèl ki ra, kwasans kristal difisil (tendans a dislokasyon), gwosè waf limite (sitou 6 pous).

  • Mekanik frajil:Tendans pou kase, sa ki lakòz yon rannman pwosesis ki ba.

  • Toksisite:Asenik mande pou yon manyen ak kontwòl anviwònman ki strik.

3. Silisyòm Karbid (SiC)

• Aplikasyon yo:Aparèy pouvwa ki fonksyone ak tanperati ki wo ak vòltaj ki wo (onduleur pou machin elektrik, estasyon rechaje), ayewospasyal.

• Avantaj:

  • Gwo espas bann (3.26 eV):Segondè rezistans pann (10 fwa sa Silisyòm), tolerans tanperati ki wo (tanperati fonksyònman >200 °C).

  • Segondè konduktivite tèmik (≈3 × silikon):Ekselan disipasyon chalè, sa ki pèmèt yon pi gwo dansite pouvwa sistèm.

  • Pèt chanjman ki ba:Amelyore efikasite konvèsyon pouvwa a.

• Dezavantaj:

  • Preparasyon substrati difisil:Kwasans kristal dousman (>1 semèn), kontwòl defo difisil (mikwotiyo, dislokasyon), pri trè wo (5-10× silikon).

  • Ti gwosè wafer:Sitou 4–6 pous; 8 pous toujou an devlopman.

  • Difisil pou trete:Trè di (Mohs 9.5), sa ki fè koupe ak polisaj pran anpil tan.

4. Nitrid Galyòm (GaN)

• Aplikasyon yo:Aparèy pouvwa wo frekans (chaje rapid, estasyon baz 5G), LED/lazè ble.

• Avantaj:

  • Mobilite elektwon ultra-wo + gwo espas bann (3.4 eV):Konbine pèfòmans wo frekans (>100 GHz) ak wo vòltaj.

  • Rezistans ki ba:Diminye pèt pouvwa aparèy la.

  • Konpatib ak eteroepitaksi:Souvan grandi sou substrats Silisyòm, safi, oswa SiC, sa ki diminye pri.

• Dezavantaj:

  • Kwasans monokristal an gwo difisil:Eteroepitaksi se yon teknik komen, men move matche rezo a prezante domaj.

  • Pri ki wo:Substra GaN natif natal yo trè chè (yon waf 2 pous ka koute plizyè milye USD).

  • Defi fyab:Fenomèn tankou efondreman aktyèl la mande optimize.

5. Fosfid Endyòm (InP)

• Aplikasyon yo:Kominikasyon optik gwo vitès (lazè, fotodetektè), aparèy terahertz.

• Avantaj:

  • Mobilite elektwon ultra-wo:Sipòte operasyon >100 GHz, depase GaAs.

  • Dirèk bandgap ak matche longèdonn:Materyèl debaz pou kominikasyon fib optik 1.3–1.55 μm.

• Dezavantaj:

  • Frajil epi trè chè:Pri substrat la depase 100 fwa silikon, gwosè wafer limite (4-6 pous).

6. Safi (Al₂O₃)

• Aplikasyon yo:Ekleraj LED (substra epitaksyèl GaN), vè kouvèti elektwonik pou konsomatè.

• Avantaj:

  • Pri ki ba:Pi bon mache pase substrats SiC/GaN yo.

  • Ekselan estabilite chimik:Rezistan a korozyon, trè izolan.

  • Transparans:Apwopriye pou estrikti LED vètikal.

• Dezavantaj:

  • Gwo pwoblèm rezo ak GaN (>13%):Lakòz yon gwo dansite defo, sa ki mande kouch tampon.

  • Pòv konduktivite tèmik (~1/20 nan silikon):Limite pèfòmans LED ki gen gwo pouvwa yo.

7. Substrat seramik (AlN, BeO, elatriye)

• Aplikasyon yo:Disipateur chalè pou modil gwo puisans.

• Avantaj:

  • Izolan + gwo konduktivite tèmik (AlN: 170–230 W/m·K):Apwopriye pou anbalaj ki gen gwo dansite.

• Dezavantaj:

  • Ki pa kristal sèl:Pa ka sipòte kwasans aparèy dirèkteman, yo itilize sèlman kòm substrats anbalaj.

8. Substra Espesyal

• SOI (Silisyòm sou izolan):

  • Estrikti:Sandwich Silisyòm/SiO₂/Silisyòm.

  • Avantaj:Diminye kapasitans parazit, ranfòse pa radyasyon, siprime flit (itilize nan RF, MEMS).

  • Dezavantaj:30–50% pi chè pase silikon an gwo.

• Kwatz (SiO₂):Yo itilize nan fotomask ak MEMS; rezistans tanperati ki wo men trè frajil.

• Dyaman:Substra ki gen pi gwo konduktivite tèmik (>2000 W/m·K), anba rechèch ak devlopman pou yon gwo disipasyon chalè.

Tablo Rezime Konparatif

Faktè kle pou seleksyon substrat

• Kondisyon pèfòmans:GaAs/InP pou gwo frekans; SiC pou gwo vòltaj, gwo tanperati; GaAs/InP/GaN pou optoelektwonik.

• Kontrent pri:Elektwonik pou konsomatè yo prefere Silisyòm; domèn ki gen gwo teknoloji yo ka jistifye pri SiC/GaN ki pi wo.

• Konpleksite entegrasyon:Silisyòm rete endispansab pou konpatibilite CMOS.

• Jesyon tèmik:Aplikasyon gwo puisans prefere SiC oswa GaN ki baze sou dyaman.

• Matirite chèn ekipman an:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Tandans nan lavni

Entegrasyon eterogèn (pa egzanp, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) pral balanse pèfòmans ak pri, pou kondwi avansman nan 5G, machin elektrik, ak informatique kwantik.