Ključne sirovine za proizvodnju poluvodiča: Vrste supstrata za pločice

Podloge za pločice kao ključni materijali u poluvodičkim uređajima

Podloge za pločice su fizički nosači poluvodičkih uređaja, a njihova svojstva materijala izravno određuju performanse uređaja, cijenu i područja primjene. U nastavku su navedene glavne vrste podloga za pločice, zajedno s njihovim prednostima i nedostacima:

1.Silicij (Si)

• Tržišni udio:Čini više od 95% globalnog tržišta poluvodiča.

• Prednosti:

  • Niska cijena:Obilne sirovine (silicijev dioksid), zreli proizvodni procesi i snažne ekonomije razmjera.

  • Visoka kompatibilnost procesa:CMOS tehnologija je vrlo zrela i podržava napredne čvorove (npr. 3nm).

  • Izvrsna kvaliteta kristala:Mogu se uzgajati pločice velikog promjera (uglavnom 12 inča, 18 inča u razvoju) s niskom gustoćom defekata.

  • Stabilna mehanička svojstva:Lako se reže, polira i rukuje.

• Nedostaci:

  • Uski energetski razmak (1,12 eV):Visoka struja curenja na povišenim temperaturama, što ograničava učinkovitost uređaja za napajanje.

  • Neizravni energetski razmak:Vrlo niska učinkovitost emisije svjetlosti, neprikladna za optoelektroničke uređaje poput LED dioda i lasera.

  • Ograničena pokretljivost elektrona:Loše visokofrekventne performanse u usporedbi sa složenim poluvodičima.
    

2.Galijev arsenid (GaAs)

• Primjene:Visokofrekventni RF uređaji (5G/6G), optoelektronički uređaji (laseri, solarne ćelije).

• Prednosti:

  • Visoka pokretljivost elektrona (5–6 puta veća od pokretljivosti silicija):Pogodno za brze, visokofrekventne primjene kao što je komunikacija milimetarskim valovima.

  • Izravni energetski procjep (1,42 eV):Visokoučinkovita fotoelektrična pretvorba, temelj infracrvenih lasera i LED dioda.

  • Otpornost na visoke temperature i zračenje:Pogodno za zrakoplovnu industriju i teške uvjete okoline.

• Nedostaci:

  • Visoka cijena:Rijedak materijal, otežan rast kristala (skloni dislokacijama), ograničena veličina pločice (uglavnom 6 inča).

  • Krhka mehanika:Sklon lomljenju, što rezultira niskim prinosom obrade.

  • Toksičnost:Arsen zahtijeva strogo rukovanje i kontrolu okoliša.

3. Silicijev karbid (SiC)

• Primjene:Uređaji za napajanje visokih temperatura i visokog napona (inverteri za električna vozila, stanice za punjenje), zrakoplovna industrija.

• Prednosti:

  • Široki zabranjeni pojas (3,26 eV):Visoka probojna čvrstoća (10× veća od silicija), otpornost na visoke temperature (radna temperatura >200 °C).

  • Visoka toplinska vodljivost (≈3× silicij):Izvrsno odvođenje topline, što omogućuje veću gustoću snage sustava.

  • Niski gubici pri preklapanju:Poboljšava učinkovitost pretvorbe energije.

• Nedostaci:

  • Zahtjevna priprema podloge:Spori rast kristala (>1 tjedan), teška kontrola defekata (mikrocjevčice, dislokacije), izuzetno visoka cijena (5–10× više silicija).

  • Mala veličina pločice:Uglavnom 4-6 inča; 8 inča je još uvijek u razvoju.

  • Teško za obradu:Vrlo tvrdo (Mohs 9,5), što rezanje i poliranje čini dugotrajnim.

4. Galijev nitrid (GaN)

• Primjene:Visokofrekventni uređaji za napajanje (brzo punjenje, 5G bazne stanice), plave LED diode/laseri.

• Prednosti:

  • Ultra visoka pokretljivost elektrona + široki energetski razmak (3,4 eV):Kombinira visokofrekventne (>100 GHz) i visokonaponske performanse.

  • Nizak otpor uključenja:Smanjuje gubitak snage uređaja.

  • Kompatibilno s heteroepitaksijom:Obično se uzgaja na silicijskim, safirnim ili SiC podlogama, što smanjuje troškove.

• Nedostaci:

  • Teško je uzgajati monokristale u masi:Heteroepitaksija je uobičajena, ali neusklađenost rešetke unosi defekte.

  • Visoka cijena:Izvorni GaN supstrati su vrlo skupi (pločica od 2 inča može koštati nekoliko tisuća USD).

  • Izazovi pouzdanosti:Fenomeni poput trenutnog kolapsa zahtijevaju optimizaciju.

5. Indijev fosfid (InP)

• Primjene:Brze optičke komunikacije (laseri, fotodetektori), terahercni uređaji.

• Prednosti:

  • Ultra visoka pokretljivost elektrona:Podržava rad >100 GHz, nadmašujući GaAs.

  • Izravni energetski procjep s usklađivanjem valne duljine:Jezgreni materijal za komunikaciju optičkim vlaknima od 1,3–1,55 μm.

• Nedostaci:

  • Krhko i vrlo skupo:Trošak podloge prelazi 100× silicij, ograničene veličine pločica (4–6 inča).

6. Safir (Al₂O₃)

• Primjene:LED rasvjeta (GaN epitaksijalna podloga), zaštitno staklo za potrošačku elektroniku.

• Prednosti:

  • Niska cijena:Mnogo jeftinije od SiC/GaN supstrata.

  • Izvrsna kemijska stabilnost:Otporno na koroziju, visoka izolacijska svojstva.

  • Transparentnost:Pogodno za vertikalne LED strukture.

• Nedostaci:

  • Velika neusklađenost rešetke s GaN (>13%):Uzrokuje visoku gustoću defekata, što zahtijeva međuslojeve.

  • Slaba toplinska vodljivost (~1/20 silicija):Ograničava performanse LED dioda velike snage.

7. Keramičke podloge (AlN, BeO, itd.)

• Primjene:Raspršivači topline za module velike snage.

• Prednosti:

  • Izolacija + visoka toplinska vodljivost (AlN: 170–230 W/m·K):Pogodno za pakiranje visoke gustoće.

• Nedostaci:

  • Ne-monokristalni:Ne može izravno podržati rast uređaja, koristi se samo kao podloga za pakiranje.

8. Posebne podloge

• SOI (Silikon na izolatoru):

  • Struktura:Sendvič od silicija/SiO₂/silicij.

  • Prednosti:Smanjuje parazitski kapacitet, otporan na zračenje, supresija curenja (koristi se u RF, MEMS).

  • Nedostaci:30–50% skuplji od silicija u rasutom stanju.

• Kvarc (SiO₂):Koristi se u fotomaskama i MEMS-ima; otporan na visoke temperature, ali vrlo krhak.

• Dijamant:Podloga s najvećom toplinskom vodljivošću (>2000 W/m·K), u fazi istraživanja i razvoja za ekstremno odvođenje topline.

Komparativna sažeta tablica

Ključni čimbenici za odabir podloge

• Zahtjevi za performanse:GaAs/InP za visoke frekvencije; SiC za visoki napon, visoke temperature; GaAs/InP/GaN za optoelektroniku.

• Ograničenja troškova:Potrošačka elektronika favorizira silicij; vrhunska područja mogu opravdati premije SiC/GaN.

• Složenost integracije:Silicij ostaje nezamjenjiv za CMOS kompatibilnost.

• Toplinsko upravljanje:Primjene velike snage preferiraju SiC ili GaN na bazi dijamanta.

• Zrelost lanca opskrbe:Si > Safir > GaAs > SiC > GaN > InP.

Budući trend

Heterogena integracija (npr. GaN-na-Si, GaN-na-SiC) uravnotežit će performanse i troškove, potičući napredak u 5G-u, električnim vozilima i kvantnom računarstvu.