Pagrindinės puslaidininkių gamybos žaliavos: plokštelių pagrindų tipai

Plokštelių pagrindai kaip pagrindinės medžiagos puslaidininkiniuose įtaisuose

Plokštelių pagrindai yra puslaidininkinių įtaisų fiziniai nešėjai, o jų medžiagų savybės tiesiogiai lemia įtaiso našumą, kainą ir taikymo sritis. Žemiau pateikiami pagrindiniai plokštelių pagrindų tipai kartu su jų privalumais ir trūkumais:

1.Silicis (Si)

• Rinkos dalis:Užima daugiau nei 95 % pasaulinės puslaidininkių rinkos.

• Privalumai:

  • Maža kaina:Gausios žaliavos (silicio dioksidas), brandūs gamybos procesai ir stipri masto ekonomija.

  • Didelis procesų suderinamumas:CMOS technologija yra labai brandi, palaikanti pažangius mazgus (pvz., 3 nm).

  • Puiki kristalų kokybė:Galima auginti didelio skersmens plokšteles (daugiausia 12 colių, 18 colių), turinčias mažą defektų tankį.

  • Stabilios mechaninės savybės:Lengva pjaustyti, poliruoti ir tvarkyti.

• Trūkumai:

  • Siaura draudžiamoji zona (1,12 eV):Didelė nuotėkio srovė esant aukštai temperatūrai, ribojanti maitinimo įrenginio efektyvumą.

  • Netiesioginė draustminė juosta:Labai mažas šviesos emisijos efektyvumas, netinka optoelektroniniams prietaisams, tokiems kaip šviesos diodai ir lazeriai.

  • Ribotas elektronų judrumas:Prastesnis aukšto dažnio našumas, palyginti su sudėtiniais puslaidininkiais.
    

2.Galio arsenidas (GaAs)

• Paraiškos:Aukšto dažnio radijo dažnių įrenginiai (5G/6G), optoelektroniniai įrenginiai (lazeriai, saulės elementai).

• Privalumai:

  • Didelis elektronų judrumas (5–6 kartus didesnis nei silicio):Tinka didelės spartos, aukšto dažnio taikymams, pavyzdžiui, milimetrinių bangų ryšiui.

  • Tiesioginė draudžiama (1,42 eV):Didelio efektyvumo fotoelektrinė konversija, infraraudonųjų spindulių lazerių ir šviesos diodų pagrindas.

  • Atsparumas aukštai temperatūrai ir radiacijai:Tinka aviacijos ir kosmoso reikmėms bei atšiaurioms aplinkoms.

• Trūkumai:

  • Didelė kaina:Medžiagos trūkumas, sunkus kristalų augimas (linkę į dislokacijas), ribotas plokštelių dydis (daugiausia 6 colių).

  • Trapi mechanika:Linkęs lūžti, todėl mažas perdirbimo našumas.

  • Toksiškumas:Arsenui reikalingas griežtas tvarkymas ir aplinkos kontrolė.

3. Silicio karbidas (SiC)

• Paraiškos:Aukštos temperatūros ir aukštos įtampos maitinimo įrenginiai (elektromobilių keitikliai, įkrovimo stotelės), aviacijos ir kosmoso pramonė.

• Privalumai:

  • Plati draudžiamoji zona (3,26 eV):Didelis atsparumas gedimui (10 kartų didesnis nei silicio), atsparumas aukštai temperatūrai (darbinė temperatūra >200 °C).

  • Didelis šilumos laidumas (≈3 × silicis):Puikus šilumos išsklaidymas, leidžiantis padidinti sistemos galios tankį.

  • Maži perjungimo nuostoliai:Pagerina energijos konversijos efektyvumą.

• Trūkumai:

  • Sudėtingas pagrindo paruošimas:Lėtas kristalų augimas (>1 savaitė), sudėtingas defektų valdymas (mikrovamzdeliai, dislokacijos), itin didelė kaina (5–10× silicio).

  • Mažas vaflio dydis:Daugiausia 4–6 colių; 8 colių vis dar kuriama.

  • Sunku apdoroti:Labai kietas (Mohso skalė 9,5), todėl pjaustymas ir poliravimas užima daug laiko.

4. Galio nitridas (GaN)

• Paraiškos:Aukšto dažnio maitinimo įrenginiai (greitas įkrovimas, 5G bazinės stotys), mėlyni šviesos diodai / lazeriai.

• Privalumai:

  • Itin didelis elektronų judrumas + plati draudžiamoji zona (3,4 eV):Apjungia aukšto dažnio (> 100 GHz) ir aukštos įtampos našumą.

  • Mažas įjungimo pasipriešinimas:Sumažina įrenginio energijos nuostolius.

  • Suderinamas su heteroepitaksija:Paprastai auginami ant silicio, safyro arba SiC substratų, todėl sumažėja sąnaudos.

• Trūkumai:

  • Sunku auginti tūrinį monokristalą:Heteroepitaksija yra pagrindinė, tačiau gardelės neatitikimas sukelia defektų.

  • Didelė kaina:Natūralūs GaN substratai yra labai brangūs (2 colių plokštelė gali kainuoti kelis tūkstančius JAV dolerių).

  • Patikimumo iššūkiai:Tokiems reiškiniams kaip srovės griūtis reikia optimizuoti.

5. Indžio fosfidas (InP)

• Paraiškos:Didelės spartos optiniai ryšiai (lazeriai, fotodetektoriai), terahercų įtaisai.

• Privalumai:

  • Itin didelis elektronų judrumas:Palaiko >100 GHz veikimą, lenkdamas GaAs.

  • Tiesioginis draudžiamasis tarpas su bangos ilgio atitikimu:Pagrindinė medžiaga 1,3–1,55 μm optinio pluošto ryšiui.

• Trūkumai:

  • Trapūs ir labai brangūs:Pagrindo kaina viršija 100 kartų silicio, riboti plokštelių dydžiai (4–6 coliai).

6. Safyras (Al₂O₃)

• Paraiškos:LED apšvietimas (GaN epitaksinis substratas), plataus vartojimo elektronikos dengiamasis stiklas.

• Privalumai:

  • Maža kaina:Daug pigiau nei SiC/GaN substratai.

  • Puikus cheminis stabilumas:Atsparus korozijai, labai gerai izoliuoja.

  • Skaidrumas:Tinka vertikalioms LED konstrukcijoms.

• Trūkumai:

  • Didelis gardelės neatitikimas su GaN (>13%):Sukelia didelį defektų tankį, todėl reikalingi buferiniai sluoksniai.

  • Prastas šilumos laidumas (~1/20 silicio):Riboja didelės galios šviesos diodų našumą.

7. Keraminiai pagrindai (AlN, BeO ir kt.)

• Paraiškos:Didelės galios modulių šilumos paskirstytojai.

• Privalumai:

  • Izoliacinės savybės + didelis šilumos laidumas (AlN: 170–230 W/m·K):Tinka didelio tankio pakuotėms.

• Trūkumai:

  • Ne monokristalas:Negali tiesiogiai palaikyti įrenginio augimo, naudojamas tik kaip pakavimo substratas.

8. Specialūs substratai

• SOI (silicio sluoksnis ant izoliatoriaus):

  • Struktūra:Silicio / SiO₂ / silicio sumuštinis.

  • Privalumai:Mažina parazitinę talpą, atsparus radiacijai, slopina nuotėkį (naudojamas RF, MEMS).

  • Trūkumai:30–50 % brangesnis nei birių silicio junginių.

• Kvarcas (SiO₂):Naudojamas fotokaukėse ir MEMS sistemose; atsparus aukštai temperatūrai, bet labai trapus.

• Deimantas:Didžiausio šilumos laidumo substratas (>2000 W/m·K), kuriam atliekami tyrimai ir plėtra, siekiant užtikrinti itin didelį šilumos išsklaidymą.

Lyginamoji suvestinė lentelė

Pagrindiniai pagrindo pasirinkimo veiksniai

• Našumo reikalavimai:GaAs/InP – aukštam dažniui; SiC – aukštai įtampai, aukštai temperatūrai; GaAs/InP/GaN – optoelektronikai.

• Sąnaudų apribojimai:Buitinės elektronikos pramonėje pirmenybė teikiama siliciui; aukštos klasės pramonei galima pateisinti SiC/GaN priemokas.

• Integracijos sudėtingumas:Silicis išlieka nepakeičiamas CMOS suderinamumui.

• Šilumos valdymas:Didelės galios taikymams pirmenybė teikiama SiC arba deimantų pagrindu pagamintam GaN.

• Tiekimo grandinės branda:Si > Safyras > GaAs > SiC > GaN > InP.

Ateities tendencija

Heterogeninė integracija (pvz., GaN ant Si, GaN ant SiC) suderins našumą ir kainą, skatindama 5G, elektromobilių ir kvantinių skaičiavimų pažangą.