ნახევარგამტარების წარმოებისთვის ძირითადი ნედლეული: ვაფლის სუბსტრატების ტიპები

ვაფლის სუბსტრატები, როგორც ძირითადი მასალები ნახევარგამტარულ მოწყობილობებში

ვაფლის სუბსტრატები ნახევარგამტარული მოწყობილობების ფიზიკური მატარებლები არიან და მათი მატერიალური თვისებები პირდაპირ განსაზღვრავს მოწყობილობის მუშაობას, ფასს და გამოყენების სფეროებს. ქვემოთ მოცემულია ვაფლის სუბსტრატების ძირითადი ტიპები მათი უპირატესობებითა და ნაკლოვანებებით:

1.სილიციუმი (Si)

• ბაზრის წილი:ნახევარგამტარების გლობალური ბაზრის 95%-ზე მეტს შეადგენს.

• უპირატესობები:

  • დაბალი ღირებულება:უხვი ნედლეული (სილიციუმის დიოქსიდი), განვითარებული წარმოების პროცესები და მასშტაბის ძლიერი ეკონომია.

  • მაღალი პროცესების თავსებადობა:CMOS ტექნოლოგია ძალიან განვითარებულია და მხარს უჭერს მოწინავე კვანძებს (მაგ., 3 ნმ).

  • შესანიშნავი კრისტალის ხარისხი:შესაძლებელია დიდი დიამეტრის ვაფლების (ძირითადად 12 დიუმიანი, 18 დიუმიანი დამუშავების პროცესშია) გაზრდა დაბალი დეფექტების სიმკვრივით.

  • სტაბილური მექანიკური თვისებები:ადვილად იჭრება, იპრიალებს და მუშაობს.

• ნაკლოვანებები:

  • ვიწრო ზოლური უფსკრული (1.12 eV):მაღალი გაჟონვის დენი მომატებულ ტემპერატურაზე, რაც ზღუდავს ენერგომომარაგების მოწყობილობის ეფექტურობას.

  • არაპირდაპირი ზოლური უფსკრული:ძალიან დაბალი სინათლის ემისიის ეფექტურობა, არ არის შესაფერისი ოპტოელექტრონული მოწყობილობებისთვის, როგორიცაა LED-ები და ლაზერები.

  • შეზღუდული ელექტრონების მობილურობა:დაბალი მაღალსიხშირული შესრულება ნაერთ ნახევარგამტარებთან შედარებით.
    

2.გალიუმის არსენიდი (GaAs)

• აპლიკაციები:მაღალი სიხშირის რადიოსიხშირული მოწყობილობები (5G/6G), ოპტოელექტრონული მოწყობილობები (ლაზერები, მზის ელემენტები).

• უპირატესობები:

  • მაღალი ელექტრონების მობილურობა (5–6-ჯერ მეტი, ვიდრე სილიციუმის):გამოდგება მაღალსიჩქარიანი, მაღალი სიხშირის აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა მილიმეტრული ტალღური კომუნიკაცია.

  • პირდაპირი ზოლური უფსკრული (1.42 eV):მაღალი ეფექტურობის ფოტოელექტრული გარდაქმნა, ინფრაწითელი ლაზერებისა და LED-ების საფუძველი.

  • მაღალი ტემპერატურისა და რადიაციისადმი მდგრადობა:შესაფერისია აერონავტიკისა და მკაცრი გარემო პირობებისთვის.

• ნაკლოვანებები:

  • მაღალი ღირებულება:მწირი მასალა, კრისტალების ზრდის სირთულე (დისლოკაციებისკენ მიდრეკილება), ვაფლის შეზღუდული ზომა (ძირითადად 6 ინჩი).

  • მყიფე მექანიკა:მიდრეკილია მოტეხილობისკენ, რაც იწვევს დამუშავების დაბალ მოსავლიანობას.

  • ტოქსიკურობა:დარიშხანი მოითხოვს მკაცრ დამუშავებას და გარემოსდაცვით კონტროლს.

3. სილიციუმის კარბიდი (SiC)

• აპლიკაციები:მაღალი ტემპერატურისა და მაღალი ძაბვის დენის მოწყობილობები (ელექტრომექანიკური ინვერტორები, დამტენი სადგურები), აერონავტიკა.

• უპირატესობები:

  • ფართო დიაპაზონი (3.26 eV):მაღალი დაშლის სიმტკიცე (სილიციუმზე 10-ჯერ მეტი), მაღალი ტემპერატურისადმი ტოლერანტობა (სამუშაო ტემპერატურა >200 °C).

  • მაღალი თბოგამტარობა (≈3× სილიციუმი):შესანიშნავი სითბოს გაფრქვევა, რაც უზრუნველყოფს სისტემის სიმძლავრის უფრო მაღალ სიმკვრივეს.

  • დაბალი გადართვის დანაკარგი:აუმჯობესებს ენერგიის გარდაქმნის ეფექტურობას.

• ნაკლოვანებები:

  • სუბსტრატის მომზადების სირთულე:კრისტალების ნელი ზრდა (>1 კვირა), დეფექტების კონტროლის სირთულე (მიკროპილაკები, დისლოკაციები), უკიდურესად მაღალი ღირებულება (5–10× სილიციუმი).

  • პატარა ვაფლის ზომა:ძირითადად 4–6 ინჩი; 8 ინჩი ჯერ კიდევ დამუშავების პროცესშია.

  • რთული დამუშავებაა:ძალიან მაგარია (მოჰსის კლასი 9.5), რაც ჭრასა და გაპრიალებას დიდ დროს მოითხოვს.

4. გალიუმის ნიტრიდი (GaN)

• აპლიკაციები:მაღალი სიხშირის დენის მოწყობილობები (სწრაფი დატენვა, 5G საბაზო სადგურები), ლურჯი LED-ები/ლაზერები.

• უპირატესობები:

  • ულტრამაღალი ელექტრონების მობილურობა + ფართო ზოლი (3.4 eV):აერთიანებს მაღალი სიხშირის (>100 გჰც) და მაღალი ძაბვის მუშაობას.

  • დაბალი ჩართვის წინააღმდეგობა:ამცირებს მოწყობილობის ენერგიის დანაკარგს.

  • ჰეტეროეპიტაქსიასთან თავსებადი:ხშირად იზრდება სილიკონის, საფირონის ან SiC სუბსტრატებზე, რაც ამცირებს ღირებულებას.

• ნაკლოვანებები:

  • მოცულობითი მონოკრისტალის ზრდა რთულია:ჰეტეროეპიტაქსია მეინსტრიმულია, მაგრამ ბადისებრი შეუსაბამობა დეფექტებს იწვევს.

  • მაღალი ღირებულება:მშობლიური GaN სუბსტრატები ძალიან ძვირია (2 დიუმიანი ვაფლი შეიძლება რამდენიმე ათასი აშშ დოლარი ღირდეს).

  • საიმედოობის გამოწვევები:ისეთი ფენომენები, როგორიცაა მიმდინარე კოლაფსი, ოპტიმიზაციას საჭიროებს.

5. ინდიუმის ფოსფიდი (InP)

• აპლიკაციები:მაღალსიჩქარიანი ოპტიკური კომუნიკაციები (ლაზერები, ფოტოდეტექტორები), ტერაჰერცული მოწყობილობები.

• უპირატესობები:

  • ულტრამაღალი ელექტრონების მობილურობა:მხარს უჭერს >100 გჰც სიხშირეზე მუშაობას, GaAs-ზე უკეთესი შედეგით.

  • პირდაპირი ზოლური უფსკრული ტალღის სიგრძის შესაბამისობით:1.3–1.55 μm ოპტიკური ბოჭკოვანი კომუნიკაციების ძირითადი მასალა.

• ნაკლოვანებები:

  • მყიფე და ძალიან ძვირი:სუბსტრატის ღირებულება 100× სილიკონს აჭარბებს, ვაფლის ზომები შეზღუდულია (4–6 ინჩი).

6. საფირონი (Al₂O₃)

• აპლიკაციები:LED განათება (GaN ეპიტაქსიური სუბსტრატი), სამომხმარებლო ელექტრონიკის საფარის მინა.

• უპირატესობები:

  • დაბალი ღირებულება:გაცილებით იაფია, ვიდრე SiC/GaN სუბსტრატები.

  • შესანიშნავი ქიმიური სტაბილურობა:კოროზიისადმი მდგრადი, მაღალი იზოლაციის თვისებებით.

  • გამჭვირვალობა:შესაფერისია ვერტიკალური LED სტრუქტურებისთვის.

• ნაკლოვანებები:

  • GaN-თან დიდი შეუსაბამობა (>13%):იწვევს დეფექტების მაღალ სიმკვრივეს, რაც ბუფერულ ფენებს მოითხოვს.

  • ცუდი თბოგამტარობა (სილიციუმის ~1/20):ზღუდავს მაღალი სიმძლავრის LED-ების მუშაობას.

7. კერამიკული სუბსტრატები (AlN, BeO და ა.შ.)

• აპლიკაციები:სითბოს გამანაწილებლები მაღალი სიმძლავრის მოდულებისთვის.

• უპირატესობები:

  • იზოლაცია + მაღალი თბოგამტარობა (AlN: 170–230 W/m·K):გამოდგება მაღალი სიმკვრივის შეფუთვისთვის.

• ნაკლოვანებები:

  • არა-ერთკრისტალური:ვერ უწყობს ხელს მოწყობილობის ზრდას პირდაპირ, გამოიყენება მხოლოდ შესაფუთი სუბსტრატების სახით.

8. სპეციალური სუბსტრატები

• SOI (სილიკონი იზოლატორზე):

  • სტრუქტურა:სილიციუმი/SiO₂/სილიციუმის სენდვიჩი.

  • უპირატესობები:ამცირებს პარაზიტულ ტევადობას, რადიაციისადმი გამყარებულს, გაჟონვის ჩახშობას (გამოიყენება RF, MEMS-ში).

  • ნაკლოვანებები:30–50%-ით უფრო ძვირია, ვიდრე ნაყარი სილიკონი.

• კვარცი (SiO₂):გამოიყენება ფოტონიღბებსა და MEMS-ში; მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადია, მაგრამ ძალიან მყიფეა.

• ბრილიანტი:უმაღლესი თბოგამტარობის სუბსტრატი (>2000 W/m·K), კვლევისა და განვითარების ფარგლებში, ექსტრემალური სითბოს გაფრქვევისთვის.

შედარებითი შემაჯამებელი ცხრილი

სუბსტრატის შერჩევის ძირითადი ფაქტორები

• შესრულების მოთხოვნები:GaAs/InP მაღალი სიხშირისთვის; SiC მაღალი ძაბვისა და მაღალი ტემპერატურისთვის; GaAs/InP/GaN ოპტოელექტრონიკისთვის.

• ხარჯების შეზღუდვები:სამომხმარებლო ელექტრონიკა უპირატესობას სილიკონს ანიჭებს; მაღალი კლასის ველებს შეუძლიათ გაამართლონ SiC/GaN-ის პრემიუმ ფასები.

• ინტეგრაციის სირთულე:CMOS თავსებადობისთვის სილიციუმი შეუცვლელია.

• თერმული მართვა:მაღალი სიმძლავრის აპლიკაციებისთვის უპირატესობას ანიჭებენ SiC-ს ან ბრილიანტის ბაზაზე დაფუძნებულ GaN-ს.

• მიწოდების ჯაჭვის სიმწიფე:Si > საფირონი > GaAs > SiC > GaN > InP.

მომავლის ტენდენცია

ჰეტეროგენული ინტეგრაცია (მაგ., GaN-on-Si, GaN-on-SiC) დააბალანსებს მუშაობასა და ხარჯებს, რაც ხელს შეუწყობს 5G-ის, ელექტრომობილებისა და კვანტური გამოთვლების განვითარებას.