Ključne surovine za proizvodnjo polprevodnikov: Vrste substratov za rezine

Rezine kot ključni materiali v polprevodniških napravah

Rezine so fizični nosilci polprevodniških naprav, njihove lastnosti materiala pa neposredno določajo delovanje, stroške in področja uporabe naprav. Spodaj so navedene glavne vrste rezin, njihove prednosti in slabosti:

1.Silicij (Si)

• Tržni delež:Predstavlja več kot 95 % svetovnega trga polprevodnikov.

• Prednosti:

  • Nizki stroški:Obilne surovine (silicijev dioksid), zreli proizvodni procesi in močna ekonomija obsega.

  • Visoka združljivost s procesi:CMOS tehnologija je zelo zrela in podpira napredna vozlišča (npr. 3nm).

  • Odlična kakovost kristalov:Gojiti je mogoče rezine velikega premera (predvsem 12-palčne, 18-palčne v razvoju) z nizko gostoto napak.

  • Stabilne mehanske lastnosti:Enostavno rezanje, poliranje in rokovanje.

• Slabosti:

  • Ozka pasovna vrzel (1,12 eV):Visok uhajalni tok pri povišanih temperaturah, kar omejuje učinkovitost napajalne naprave.

  • Posredna pasovna vrzel:Zelo nizka učinkovitost oddajanja svetlobe, neprimerna za optoelektronske naprave, kot so LED diode in laserji.

  • Omejena mobilnost elektronov:Slabša visokofrekvenčna zmogljivost v primerjavi s sestavljenimi polprevodniki.
    

2.Galijev arzenid (GaAs)

• Uporaba:Visokofrekvenčne RF naprave (5G/6G), optoelektronske naprave (laserji, sončne celice).

• Prednosti:

  • Visoka mobilnost elektronov (5–6-krat večja od silicija):Primerno za visokohitrostne, visokofrekvenčne aplikacije, kot je komunikacija v milimetrskih valovih.

  • Neposredna pasovna vrzel (1,42 eV):Visoko učinkovita fotoelektrična pretvorba, temelj infrardečih laserjev in LED diod.

  • Odpornost na visoke temperature in sevanje:Primerno za vesoljsko industrijo in zahtevna okolja.

• Slabosti:

  • Visoki stroški:Redki materiali, težka rast kristalov (nagnjeni k dislokacijam), omejena velikost rezin (večinoma 6 palcev).

  • Krhka mehanika:Nagnjenost k lomu, kar ima za posledico nizek izkoristek predelave.

  • Toksičnost:Arzen zahteva strog nadzor nad ravnanjem in okoljem.

3. Silicijev karbid (SiC)

• Uporaba:Visokotemperaturne in visokonapetostne napajalne naprave (razsmerniki za električna vozila, polnilne postaje), letalska in vesoljska industrija.

• Prednosti:

  • Široka pasovna širina (3,26 eV):Visoka prebojna trdnost (10-krat večja od silicija), visoka temperaturna toleranca (delovna temperatura >200 °C).

  • Visoka toplotna prevodnost (≈3× silicij):Odlično odvajanje toplote, kar omogoča večjo gostoto moči sistema.

  • Nizka izguba pri preklopu:Izboljša učinkovitost pretvorbe energije.

• Slabosti:

  • Zahtevna priprava podlage:Počasna rast kristalov (> 1 teden), težaven nadzor nad napakami (mikrocevke, dislokacije), izjemno visoki stroški (5–10 × silicij).

  • Majhna velikost rezin:Predvsem 4–6 palcev; 8 palcev je še v razvoju.

  • Težko za obdelavo:Zelo trdo (Mohsova lestvica 9,5), zaradi česar je rezanje in poliranje zamudno.

4. Galijev nitrid (GaN)

• Uporaba:Visokofrekvenčne naprave (hitro polnjenje, bazne postaje 5G), modre LED diode/laserji.

• Prednosti:

  • Ultra visoka mobilnost elektronov + široka pasovna vrzel (3,4 eV):Združuje visokofrekvenčno (> 100 GHz) in visokonapetostno zmogljivost.

  • Nizka upornost pri vklopu:Zmanjša izgubo moči naprave.

  • Združljivo s heteroepitaksijo:Običajno se goji na silicijevih, safirnih ali SiC substratih, kar zmanjšuje stroške.

• Slabosti:

  • Težavna rast monokristalov v razsutem stanju:Heteroepitaksija je sicer pogosta, vendar neusklajenost mreže povzroča napake.

  • Visoki stroški:Izvorni GaN substrati so zelo dragi (2-palčna rezina lahko stane več tisoč USD).

  • Izzivi zanesljivosti:Pojavi, kot je trenutni kolaps, zahtevajo optimizacijo.

5. Indijev fosfid (InP)

• Uporaba:Visokohitrostne optične komunikacije (laserji, fotodetektorji), teraherčne naprave.

• Prednosti:

  • Ultra visoka mobilnost elektronov:Podpira delovanje >100 GHz, kar prekaša GaAs.

  • Neposredna pasovna širina z ujemanjem valovne dolžine:Jedrni material za komunikacijo z optičnimi vlakni širine 1,3–1,55 μm.

• Slabosti:

  • Krhko in zelo drago:Stroški substrata presegajo 100 × silicij, omejene velikosti rezin (4–6 palcev).

6. Safir (Al₂O₃)

• Uporaba:LED osvetlitev (GaN epitaksialni substrat), zaščitno steklo za potrošniško elektroniko.

• Prednosti:

  • Nizki stroški:Veliko cenejši od SiC/GaN substratov.

  • Odlična kemijska stabilnost:Odporno proti koroziji, visoka izolacijska sposobnost.

  • Preglednost:Primerno za vertikalne LED strukture.

• Slabosti:

  • Velika neusklajenost mreže z GaN (>13%):Povzroča visoko gostoto napak, kar zahteva vmesne plasti.

  • Slaba toplotna prevodnost (~1/20 silicija):Omejuje delovanje visokozmogljivih LED diod.

7. Keramične podlage (AlN, BeO itd.)

• Uporaba:Razpršilniki toplote za visokozmogljive module.

• Prednosti:

  • Izolacija + visoka toplotna prevodnost (AlN: 170–230 W/m·K):Primerno za embalažo z visoko gostoto.

• Slabosti:

  • Ne-monokristalni:Ne more neposredno podpirati rasti naprave, uporablja se le kot substrat za pakiranje.

8. Posebni substrati

• SOI (silicij na izolatorju):

  • Struktura:Sendvič iz silicija/SiO₂/silicijevega jekla.

  • Prednosti:Zmanjšuje parazitsko kapacitivnost, je odporen na sevanje, preprečuje uhajanje (uporablja se v RF, MEMS).

  • Slabosti:30–50 % dražji od silicija v razsutem stanju.

• Kremen (SiO₂):Uporablja se v fotomaskah in MEMS; odporen na visoke temperature, vendar zelo krhek.

• Diamant:Podlaga z najvišjo toplotno prevodnostjo (>2000 W/m·K), v fazi raziskav in razvoja za izjemno odvajanje toplote.

Primerjalna povzetna tabela

Ključni dejavniki za izbiro substrata

• Zahteve glede zmogljivosti:GaAs/InP za visoke frekvence; SiC za visoke napetosti in visoke temperature; GaAs/InP/GaN za optoelektroniko.

• Stroškovne omejitve:Potrošniška elektronika daje prednost siliciju; vrhunska področja lahko upravičijo premije SiC/GaN.

• Kompleksnost integracije:Silicij ostaja nenadomestljiv za združljivost s CMOS.

• Toplotno upravljanje:Visokozmogljive aplikacije dajejo prednost SiC ali GaN na osnovi diamantov.

• Zrelost dobavne verige:Si > Safir > GaAs > SiC > GaN > InP.

Prihodnji trend

Heterogena integracija (npr. GaN-na-Si, GaN-na-SiC) bo uravnotežila zmogljivost in stroške ter spodbudila napredek v 5G, električnih vozilih in kvantnem računalništvu.