Хагас дамжуулагч үйлдвэрлэлийн гол түүхий эд: Ваферийн суурь материалын төрлүүд

Хагас дамжуулагч төхөөрөмжүүдийн гол материал болох вафлийн суурь

Вафер суурь нь хагас дамжуулагч төхөөрөмжийн физик тээвэрлэгч бөгөөд тэдгээрийн материалын шинж чанар нь төхөөрөмжийн гүйцэтгэл, өртөг, хэрэглээний талбарыг шууд тодорхойлдог. Вафер суурьны үндсэн төрлүүдийг тэдгээрийн давуу болон сул талуудтай хамт дор дурдав:

1.Цахиур (Si)

• Зах зээлийн хувь:Дэлхийн хагас дамжуулагч зах зээлийн 95 гаруй хувийг эзэлдэг.

• Давуу талууд:

  • Бага өртөгтэй:Элбэг дэлбэг түүхий эд (цахиурын давхар исэл), боловсорсон үйлдвэрлэлийн процесс, хүчтэй цар хүрээний эдийн засаг.

  • Өндөр процессын нийцтэй байдал:CMOS технологи нь өндөр хөгжсөн бөгөөд дэвшилтэт зангилааг (жишээ нь, 3nm) дэмждэг.

  • Маш сайн болор чанар:Согогийн нягтрал багатай, том диаметртэй (голдуу 12 инч, 18 инчийн боловсруулалтын шатандаа явж байгаа) вафлиг ургуулж болно.

  • Тогтвортой механик шинж чанарууд:Зүсэх, өнгөлөх, бариулахад хялбар.

• Сул талууд:

  • Нарийн зурвасын зай (1.12 эВ):Өндөр температурт өндөр алдагдалтай гүйдэл үүсгэдэг бөгөөд энэ нь төхөөрөмжийн үр ашгийг хязгаарладаг.

  • Шууд бус зурвасын зай:Гэрлийн ялгаралтын үр ашиг маш бага, LED болон лазер зэрэг оптоэлектроник төхөөрөмжүүдэд тохиромжгүй.

  • Хязгаарлагдмал электрон хөдөлгөөн:Нийлмэл хагас дамжуулагчтай харьцуулахад өндөр давтамжийн гүйцэтгэл муу.
    

2.Галлий Арсенид (GaAs)

• Хэрэглээ:Өндөр давтамжийн RF төхөөрөмжүүд (5G/6G), оптоэлектроник төхөөрөмжүүд (лазер, нарны зай).

• Давуу талууд:

  • Электроны өндөр хөдөлгөөн (цахиурынхаас 5-6 дахин их):Миллиметрийн долгионы холбоо гэх мэт өндөр хурдтай, өндөр давтамжийн хэрэглээнд тохиромжтой.

  • Шууд зурвасын зай (1.42 эВ):Өндөр үр ашигтай фотоэлектрик хувиргалт, хэт улаан туяаны лазер болон LED-ийн үндэс суурь.

  • Өндөр температур болон цацрагийн эсэргүүцэл:Агаарын тээврийн болон хүнд хэцүү орчинд тохиромжтой.

• Сул талууд:

  • Өндөр өртөгтэй:Хомс материал, талст ургахад хэцүү (мултрах хандлагатай), хязгаарлагдмал хэмжээтэй (голдуу 6 инч).

  • Эмзэг механик:Хагаралд өртөмтгий тул боловсруулалтын гарц бага байдаг.

  • Хордлого:Хүнцэл нь хатуу зохицуулалт болон хүрээлэн буй орчны хяналтыг шаарддаг.

3. Цахиурын карбид (SiC)

• Хэрэглээ:Өндөр температур болон өндөр хүчдэлийн цахилгаан төхөөрөмжүүд (цахилгаан тээврийн хэрэгслийн инвертер, цэнэглэх станцууд), сансар судлал.

• Давуу талууд:

  • Өргөн зурвасын зай (3.26 эВ):Өндөр эвдрэлийн бат бэх (цахиурынхаас 10 дахин их), өндөр температурт тэсвэртэй (ажиллах температур >200 °C).

  • Өндөр дулаан дамжуулалт (≈3× цахиур):Маш сайн дулаан ялгаруулдаг тул системийн эрчим хүчний нягтралыг нэмэгдүүлдэг.

  • Шилжүүлэлтийн алдагдал бага:Эрчим хүчний хувиргалтын үр ашгийг сайжруулдаг.

• Сул талууд:

  • Субстрат бэлтгэхэд бэрхшээлтэй байдал:Кристал өсөлт удаан (>1 долоо хоног), согогийг хянах хэцүү (микро хоолой, мултрал), маш өндөр өртөгтэй (5–10x цахиур).

  • Жижиг вафлийн хэмжээ:Голчлон 4–6 инч; 8 инч нь боловсруулалтын шатандаа явж байна.

  • Боловсруулахад хэцүү:Маш хатуу (Mohs 9.5) тул зүсэх, өнгөлөх ажлыг цаг хугацаа их шаарддаг.

4. Галлийн нитрид (GaN)

• Хэрэглээ:Өндөр давтамжийн цахилгаан төхөөрөмжүүд (хурдан цэнэглэлт, 5G суурь станцууд), цэнхэр LED/лазерууд.

• Давуу талууд:

  • Хэт өндөр электрон хөдөлгөөн + өргөн зурвасын зай (3.4 эВ):Өндөр давтамжтай (>100 GHz) болон өндөр хүчдэлийн гүйцэтгэлийг хослуулсан.

  • Бага эсэргүүцэлтэй:Төхөөрөмжийн цахилгаан алдагдлыг бууруулдаг.

  • Гетероэпитакситай нийцтэй:Цахиур, индранил эсвэл SiC суурь дээр түгээмэл ургадаг тул зардлыг бууруулдаг.

• Сул талууд:

  • Бөөнөөр дан талст өсөлт хэцүү:Гетероэпитакси нь гол урсгал боловч торны үл нийцэл нь согогийг үүсгэдэг.

  • Өндөр өртөгтэй:Байгалийн GaN суурь нь маш үнэтэй (2 инчийн нимгэн хавтан хэдэн мянган ам.долларын үнэтэй байж болно).

  • Найдвартай байдлын сорилтууд:Одоогийн уналт гэх мэт үзэгдлүүд нь оновчлол шаарддаг.

5. Индий фосфид (InP)

• Хэрэглээ:Өндөр хурдны оптик холбоо (лазер, фотодетектор), терагерц төхөөрөмжүүд.

• Давуу талууд:

  • Хэт өндөр электрон хөдөлгөөн:100 GHz-ээс дээш ажиллагааг дэмждэг бөгөөд GaA-уудаас илүү гүйцэтгэлтэй.

  • Долгионы урттай тохируулгатай шууд зурвасын зай:1.3–1.55 μм шилэн кабелийн холбооны гол материал.

• Сул талууд:

  • Хэврэг бөгөөд маш үнэтэй:Субстратын үнэ 100 дахин их цахиуртай, хязгаарлагдмал хэмжээтэй (4-6 инч).

6. Сапфир (Al₂O₃)

• Хэрэглээ:LED гэрэлтүүлэг (GaN эпитаксиаль суурь), хэрэглээний электроникийн бүрхүүлийн шил.

• Давуу талууд:

  • Бага өртөгтэй:SiC/GaN суурь материалаас хамаагүй хямд.

  • Маш сайн химийн тогтвортой байдал:Зэврэлтэнд тэсвэртэй, өндөр дулаан тусгаарлагчтай.

  • Ил тод байдал:Босоо LED бүтцэд тохиромжтой.

• Сул талууд:

  • GaN-тэй том торны үл нийцэл (>13%):Өндөр нягтралтай согог үүсгэдэг тул буфер давхаргыг шаарддаг.

  • Дулаан дамжуулалт муу (цахиурын ~1/20):Өндөр хүчин чадалтай LED-ийн гүйцэтгэлийг хязгаарладаг.

7. Керамик суурь (AlN, BeO гэх мэт)

• Хэрэглээ:Өндөр хүчин чадалтай модулиудад зориулсан дулаан тараагч.

• Давуу талууд:

  • Дулаан тусгаарлагч + өндөр дулаан дамжуулалт (AlN: 170–230 Вт/м·К):Өндөр нягтралтай савлагаанд тохиромжтой.

• Сул талууд:

  • Ганц талст бус:Төхөөрөмжийн өсөлтийг шууд дэмжих боломжгүй, зөвхөн сав баглаа боодлын суурь болгон ашигладаг.

8. Тусгай субстратууд

• SOI (Цахиур дээрх тусгаарлагч):

  • Бүтэц:Цахиур/SiO₂/цахиурын сэндвич.

  • Давуу талууд:Паразит багтаамжийг бууруулж, цацраг туяагаар хатууруулж, гоожилтыг дарангуйлдаг (RF, MEMS-д ашиглагддаг).

  • Сул талууд:Бөөнөөр хийсэн цахиураас 30-50% илүү үнэтэй.

• Кварц (SiO₂):Фото маск болон MEMS-д ашигладаг; өндөр температурт тэсвэртэй боловч маш хэврэг.

• Алмаз:Хамгийн өндөр дулаан дамжуулалттай суурь (>2000 Вт/м·К), хэт их дулаан тархалтын зорилгоор судалгаа, шинжилгээний ажлын хүрээнд хийгдсэн.

Харьцуулсан хураангуй хүснэгт

Субстрат сонгох гол хүчин зүйлүүд

• Гүйцэтгэлийн шаардлага:Өндөр давтамжийн хувьд GaAs/InP; өндөр хүчдэлийн, өндөр температурын хувьд SiC; оптоэлектроникийн хувьд GaAs/InP/GaN.

• Зардлын хязгаарлалтууд:Хэрэглээний электроникууд цахиурыг илүүд үздэг; өндөр зэрэглэлийн салбарууд нь SiC/GaN-ийн шимтгэлийг зөвтгөж чадна.

• Интеграцийн нарийн төвөгтэй байдал:Цахиур нь CMOS нийцтэй байдлын хувьд орлуулшгүй хэвээр байна.

• Дулааны менежмент:Өндөр хүчин чадалтай програмууд нь SiC эсвэл алмазан дээр суурилсан GaN-г илүүд үздэг.

• Нийлүүлэлтийн сүлжээний төлөвшил:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

Ирээдүйн чиг хандлага

Олон төрлийн интеграцчлал (жишээ нь, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) нь гүйцэтгэл болон өртгийг тэнцвэржүүлж, 5G, цахилгаан тээврийн хэрэгсэл, квант тооцооллын салбарын дэвшлийг бий болгоно.