Хагас дамжуулагчийн үйлдвэрлэлийн гол түүхий эд: Өргөст ялтсан субстратын төрөл

Хагас дамжуулагч төхөөрөмжүүдийн гол материал болох өрлөгийн субстрат

Вафель субстрат нь хагас дамжуулагч төхөөрөмжүүдийн физик тээвэрлэгч бөгөөд тэдгээрийн материалын шинж чанар нь төхөөрөмжийн гүйцэтгэл, өртөг, хэрэглээний талбарыг шууд тодорхойлдог. Давуу тал ба сул талуудтай хамт вафель субстратын үндсэн төрлүүдийг доор харуулав.

1.Цахиур (Si)

• Зах зээлд эзлэх хувь:Дэлхийн хагас дамжуулагчийн зах зээлийн 95 гаруй хувийг эзэлдэг.

• Давуу тал:

  • Бага зардал:Арвин их түүхий эд (цахиурын давхар исэл), боловсорч гүйцсэн үйлдвэрлэлийн процесс, хүчирхэг эдийн засаг.

  • Процессын өндөр нийцтэй байдал:CMOS технологи нь дэвшилтэт зангилаануудыг (жишээ нь, 3нм) дэмждэг өндөр боловсорсон технологи юм.

  • Маш сайн болор чанар:Согог багатай, том диаметртэй (гол төлөв 12 инч, 18 инч боловсруулагдаж байгаа) ялтсуудыг ургуулж болно.

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

• Сул тал:

  • Нарийн зурвасын зай (1.12 эВ):Өндөр температурт алдагдсан гүйдэл өндөр, цахилгаан төхөөрөмжийн үр ашгийг хязгаарладаг.

  • Шууд бус зурвасын зай:Маш бага гэрлийн ялгаруулалтын үр ашиг, LED ба лазер зэрэг оптоэлектроник төхөөрөмжүүдэд тохиромжгүй.

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

2.Галийн арсенид (GaAs)

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

• Давуу тал:

  • Өндөр электрон хөдөлгөөн (цахиурынхаас 5-6 дахин):Миллиметр 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 ба цацрагийн эсэргүүцэл:Сансар огторгуй болон хатуу ширүүн орчинд тохиромжтой.

• Сул тал:

  • Өндөр өртөг:Материал хомс, талст ургахад хэцүү (мутардаг), хязгаарлагдмал хэмжээтэй өргүүрийн хэмжээ (гол төлөв 6 инч).

  • Хэврэг механик:Хагаралд өртөмтгий тул боловсруулалтын үр ашиг багатай.

  • Хорт чанар:Хүнцэл нь хатуу харьцах, байгаль орчны хяналт шаарддаг.

3. Цахиурын карбид (SiC)

• Хэрэглээ:Өндөр температур ба өндөр хүчдэлийн цахилгаан хэрэгсэл (EV инвертер, цэнэглэх станц), сансар огторгуй.

• Давуу тал:

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

  • Өндөр дулаан дамжуулалт (≈3× цахиур):Маш сайн дулаан ялгаруулалт нь системийн эрчим хүчний нягтралыг нэмэгдүүлэх боломжийг олгодог.

  • Шилжүүлэгчийн алдагдал бага:Эрчим хүч хувиргах үр ашгийг сайжруулна.

• Сул тал:

  • Хүнд хэцүү субстрат бэлтгэх:Удаан болор өсөлт (> 1 долоо хоног), хүндрэлтэй согогийг хянах (микроопел, мултрал), маш өндөр өртөгтэй (5-10 × цахиур).

  • Жижиг валютны хэмжээ:Гол төлөв 4-6 инч; 8 инчийн одоог хүртэл хөгжүүлэгдэж байна.

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

4. Галийн нитрид (GaN)

• Хэрэглээ:Өндөр давтамжийн цахилгаан төхөөрөмж (хурдан цэнэглэгч, 5G суурь станц), цэнхэр LED/лазер.

• Давуу тал:

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

  • Бага эсэргүүцэл:Төхөөрөмжийн эрчим хүчний алдагдлыг бууруулдаг.

  • Гетероэпитакситэй нийцдэг:Цахиур, индранил, эсвэл SiC субстрат дээр ихэвчлэн ургадаг тул зардлыг бууруулдаг.

• Сул тал:

  • Нэг болор их хэмжээгээр ургахад хэцүү байдаг:Гетероепитакси нь түгээмэл боловч торны үл нийцэл нь согог үүсгэдэг.

  • Өндөр өртөг:Төрөлхийн GaN субстрат нь маш үнэтэй (2 инчийн вафель нь хэдэн мянган долларын үнэтэй байж болно).

  • Найдвартай байдлын сорилтууд:Одоогийн уналт зэрэг үзэгдлүүд оновчлолыг шаарддаг.

5. Индиум фосфид (InP)

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

• Давуу тал:

  • Хэт өндөр электрон хөдөлгөөн:>100 GHz-ийн ажиллагааг дэмжиж, GaA-аас илүү сайн.

  • Долгионы урттай шууд зурвасын зай:1.3–1.55 μм шилэн кабелийн холболтын үндсэн материал.

• Сул тал:

  • Хэврэг бөгөөд маш үнэтэй:Субстратын өртөг нь 100 × цахиураас хэтэрсэн, ялтсан хавтангийн хэмжээ хязгаарлагдмал (4-6 инч).

6. Сапфир (Al₂O₃)

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

• Давуу тал:

  • Бага зардал:SiC/GaN субстратаас хамаагүй хямд.

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

  • Ил тод байдал:Босоо LED бүтцэд тохиромжтой.

• Сул тал:

  • GaN (>13%)-тай том торны үл нийцэх байдал:Буфер давхаргыг шаарддаг өндөр согогийн нягтралыг үүсгэдэг.

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

7. Керамик субстрат (AlN, BeO гэх мэт)

• Хэрэглээ:Өндөр хүчин чадалтай модулиудад зориулсан дулаан түгээгч.

• Давуу тал:

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

• Сул тал:

  • Нэг болор бус:Төхөөрөмжийн өсөлтийг шууд дэмжих боломжгүй, зөвхөн савлагааны субстрат болгон ашигладаг.

8. Тусгай субстрат

• SOI (тусгаарлагч дээрх цахиур):

  • Бүтэц:Цахиур/SiO₂/цахиур сэндвич.

  • Давуу тал:Шимэгчийн багтаамжийг бууруулж, цацраг туяагаар хатуурсан, алдагдлыг дарах (RF, MEMS-д ашигладаг).

  • Сул тал:Бөөн цахиураас 30-50% илүү үнэтэй.

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

• Алмаз:Хамгийн өндөр дулаан дамжилтын субстрат (>2000 Вт/м·К), хэт их дулаан ялгаруулах зорилгоор судалгаа шинжилгээний ажлын хүрээнд.

Харьцуулсан хураангуй хүснэгт

Субстрат сонгох гол хүчин зүйлүүд

• Гүйцэтгэлийн шаардлага:Өндөр давтамжийн хувьд GaAs/InP; Өндөр хүчдэл, өндөр температурт зориулсан SiC; Оптоэлектроникийн GaAs/InP/GaN.

• Зардлын хязгаарлалт:Хэрэглээний электрон хэрэгсэл цахиурыг илүүд үздэг; дээд зэрэглэлийн талбарууд нь SiC/GaN урамшууллыг зөвтгөдөг.

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

• Дулааны удирдлага:Өндөр хүчин чадалтай програмууд нь SiC эсвэл алмааз дээр суурилсан GaN-ийг илүүд үздэг.

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

Ирээдүйн чиг хандлага

Нэг төрлийн бус интеграци (жишээ нь: GaN-on-Si, GaN-on-SiC) нь гүйцэтгэл, өртөг, 5G, цахилгаан тээврийн хэрэгсэл, квант тооцоолол дахь жолоодлогын дэвшлийг тэнцвэржүүлнэ.