Кључне сировине за производњу полупроводника: Врсте подлога за плочице

Подлоге за плочице као кључни материјали у полупроводничким уређајима

Подлоге за плочице су физички носачи полупроводничких уређаја, а њихова материјална својства директно одређују перформансе уређаја, цену и области примене. У наставку су наведене главне врсте подлога за плочице, заједно са њиховим предностима и манама:

1.Силицијум (Si)

• Удео на тржишту:Чини више од 95% глобалног тржишта полупроводника.

• Предности:

  • Ниска цена:Обилне сировине (силицијум диоксид), зрели производни процеси и јаке економије обима.

  • Висока компатибилност са процесима:CMOS технологија је веома зрела и подржава напредне чворове (нпр. 3nm).

  • Одличан квалитет кристала:Могу се узгајати плочице великог пречника (углавном 12 инча, 18 инча у развоју) са ниском густином дефеката.

  • Стабилна механичка својства:Лако се сече, полира и рукује.

• Недостаци:

  • Уска енергетска ширина (1,12 eV):Висока струја цурења на повишеним температурама, што ограничава ефикасност уређаја за напајање.

  • Индиректни енергетски процеп:Веома ниска ефикасност емисије светлости, непогодна за оптоелектронске уређаје као што су ЛЕД диоде и ласери.

  • Ограничена покретљивост електрона:Лошије високофреквентне перформансе у поређењу са сложеним полупроводницима.
    

2.Галијум арсенид (GaAs)

• Примене:Високофреквентни РФ уређаји (5G/6G), оптоелектронски уређаји (ласери, соларне ћелије).

• Предности:

  • Висока мобилност електрона (5–6 пута већа од силицијума):Погодно за брзе, високофреквентне примене као што је комуникација милиметарским таласима.

  • Директна енергетска ширина забрањене зоне (1,42 eV):Високоефикасна фотоелектрична конверзија, основа инфрацрвених ласера ​​и ЛЕД диода.

  • Отпорност на високе температуре и зрачење:Погодно за ваздухопловство и тешка окружења.

• Недостаци:

  • Висока цена:Оскудан материјал, тежак раст кристала (склони дислокацијама), ограничена величина плочице (углавном 6 инча).

  • Крхка механика:Склон ломљењу, што резултира ниским приносом обраде.

  • Токсичност:Арсен захтева строго руковање и контролу животне средине.

3. Силицијум карбид (SiC)

• Примене:Уређаји за напајање високих температура и високог напона (инвертори за електрична возила, станице за пуњење), ваздухопловство.

• Предности:

  • Широка енергетска ширина (3,26 eV):Висока пробојна чврстоћа (10 пута већа од силицијума), толеранција на високе температуре (радна температура >200 °C).

  • Висока топлотна проводљивост (≈3× силицијум):Одлично одвођење топлоте, што омогућава већу густину снаге система.

  • Ниски губици при пребацивању:Побољшава ефикасност конверзије снаге.

• Недостаци:

  • Захтевна припрема подлоге:Спор раст кристала (>1 недеља), тешка контрола дефеката (микроцеви, дислокације), изузетно висока цена (5–10× силицијум).

  • Мала величина вафле:Углавном 4–6 инча; 8 инча је још увек у развоју.

  • Тешко за обраду:Веома тврдо (Мосова скала 9,5), што сечење и полирање чини дуготрајним.

4. Галијум нитрид (GaN)

• Примене:Високофреквентни уређаји за напајање (брзо пуњење, 5G базне станице), плаве ЛЕД диоде/ласери.

• Предности:

  • Ултрависока мобилност електрона + широк енергетски процеп (3,4 eV):Комбинује перформансе високе фреквенције (>100 GHz) и високог напона.

  • Низак отпор укључења:Смањује губитак снаге уређаја.

  • Компатибилно са хетероепитаксијом:Обично се узгаја на силицијумским, сафирним или SiC подлогама, смањујући трошкове.

• Недостаци:

  • Тежак раст монокристала у маси:Хетероепитаксија је уобичајена, али неусклађеност решетке уноси дефекте.

  • Висока цена:Изворне GaN подлоге су веома скупе (плоча од 2 инча може коштати неколико хиљада америчких долара).

  • Изазови поузданости:Феномени попут тренутног колапса захтевају оптимизацију.

5. Индијум фосфид (InP)

• Примене:Брзе оптичке комуникације (ласери, фотодетектори), терахерцни уређаји.

• Предности:

  • Ултрависока мобилност електрона:Подржава рад >100 GHz, надмашујући GaAs.

  • Директни енергетски процеп са подударањем таласне дужине:Језгро материјала за комуникацију оптичким влакнима од 1,3–1,55 μm.

• Недостаци:

  • Крхко и веома скупо:Цена подлоге прелази 100 пута већу цену силицијума, ограничене величине плочица (4–6 инча).

6. Сафир (Al₂O₃)

• Примене:ЛЕД осветљење (GaN епитаксијална подлога), заштитно стакло за потрошачку електронику.

• Предности:

  • Ниска цена:Много јефтиније од SiC/GaN подлога.

  • Одлична хемијска стабилност:Отпорно на корозију, високо изолационо.

  • Транспарентност:Погодно за вертикалне ЛЕД структуре.

• Недостаци:

  • Велика неусклађеност решетке са GaN (>13%):Узрокује велику густину дефеката, што захтева тампон слојеве.

  • Слаба топлотна проводљивост (~1/20 силицијума):Ограничава перформансе ЛЕД диода велике снаге.

7. Керамичке подлоге (AlN, BeO, итд.)

• Примене:Распршивачи топлоте за модуле велике снаге.

• Предности:

  • Изолација + висока топлотна проводљивост (AlN: 170–230 W/m·K):Погодно за паковање високе густине.

• Недостаци:

  • Немонокристални:Не може директно да подржи раст уређаја, користи се само као подлога за паковање.

8. Специјалне подлоге

• СОИ (Силицијум на изолатору):

  • Структура:Силицијум/SiO₂/силицијумски сендвич.

  • Предности:Смањује паразитску капацитивност, отпорност на зрачење, сузбијање цурења (користи се у РФ, МЕМС).

  • Недостаци:30–50% скупљи од силицијума у ​​расутом стању.

• Кварц (SiO₂):Користи се у фотомаскама и MEMS-у; отпорност на високе температуре, али веома крхка.

• Дијамант:Подлога са највећом топлотном проводљивошћу (>2000 W/m·K), у фази истраживања и развоја за екстремно одвођење топлоте.

Упоредна табела сажетка

Кључни фактори за избор подлоге

• Захтеви за перформансе:GaAs/InP за високе фреквенције; SiC за висок напон, високе температуре; GaAs/InP/GaN за оптоелектронику.

• Ограничења трошкова:Потрошачка електроника фаворизује силицијум; врхунска поља могу оправдати премије SiC/GaN.

• Сложеност интеграције:Силицијум остаје незаменљив за компатибилност са CMOS-ом.

• Термално управљање:Примене велике снаге преферирају SiC или GaN на бази дијаманата.

• Зрелост ланца снабдевања:Си > Сафир > ГаАс > СиЦ > ГаН > ИнП.

Будући тренд

Хетерогена интеграција (нпр. GaN-на-Si, GaN-на-SiC) ће уравнотежити перформансе и трошкове, покрећући напредак у 5G, електричним возилима и квантном рачунарству.