Ключова сировина для виробництва напівпровідників: типи пластин-підкладок

Пластинні підкладки як ключові матеріали в напівпровідникових пристроях

Пластинчасті підкладки є фізичними носіями напівпровідникових приладів, а їхні матеріальні властивості безпосередньо визначають продуктивність приладу, вартість та сфери застосування. Нижче наведено основні типи пластинчастих підкладок, а також їхні переваги та недоліки:

1.Кремній (Si)

• Частка ринку:Займає понад 95% світового ринку напівпровідників.

• Переваги:

  • Низька вартість:Велика кількість сировини (діоксид кремнію), зрілі виробничі процеси та високий рівень економії на масштабі.

  • Висока сумісність з процесами:Технологія CMOS є дуже зрілою та підтримує передові вузли (наприклад, 3 нм).

  • Відмінна якість кристалів:Можна вирощувати пластини великого діаметра (в основному 12 дюймів, 18 дюймів, що знаходяться в розробці) з низькою щільністю дефектів.

  • Стабільні механічні властивості:Легко різати, полірувати та обробляти.

• Недоліки:

  • Вузька заборонена зона (1,12 еВ):Високий струм витоку за підвищених температур, що обмежує ефективність живлення пристрою.

  • Непряма заборонена зона:Дуже низька ефективність випромінювання світла, непридатна для оптоелектронних пристроїв, таких як світлодіоди та лазери.

  • Обмежена рухливість електронів:Нижчі високочастотні характеристики порівняно зі складними напівпровідниками.
    

2.Арсенід галію (GaAs)

• Застосування:Високочастотні радіочастотні пристрої (5G/6G), оптоелектронні пристрої (лазери, сонячні елементи).

• Переваги:

  • Висока рухливість електронів (у 5–6 разів більша, ніж у кремнію):Підходить для високошвидкісних високочастотних застосувань, таких як зв'язок міліметрового діапазону.

  • Пряма заборонена зона (1,42 еВ):Високоефективне фотоелектричне перетворення, основа інфрачервоних лазерів та світлодіодів.

  • Стійкість до високих температур та випромінювання:Підходить для аерокосмічної галузі та суворих умов експлуатації.

• Недоліки:

  • Висока вартість:Дефіцит матеріалу, утруднений ріст кристалів (схильні до дислокацій), обмежений розмір пластини (переважно 6 дюймів).

  • Крихка механіка:Схильний до руйнування, що призводить до низького виходу матеріалу при обробці.

  • Токсичність:Миш'як вимагає суворого поводження та контролю за станом навколишнього середовища.

3. Карбід кремнію (SiC)

• Застосування:Високотемпературні та високовольтні силові пристрої (інвертори для електромобілів, зарядні станції), аерокосмічна галузь.

• Переваги:

  • Широка заборонена зона (3,26 еВ):Висока пробивна міцність (у 10 разів вища, ніж у кремнію), стійкість до високих температур (робоча температура >200 °C).

  • Висока теплопровідність (≈3× кремній):Відмінне тепловідведення, що забезпечує вищу щільність потужності системи.

  • Низькі втрати на перемикання:Покращує ефективність перетворення енергії.

• Недоліки:

  • Складна підготовка субстрату:Повільний ріст кристалів (>1 тиждень), складний контроль дефектів (мікротрубки, дислокації), надзвичайно висока вартість (5–10× більше кремнію).

  • Малий розмір пластини:В основному 4–6 дюймів; 8 дюймів все ще в розробці.

  • Складно обробити:Дуже твердий (за шкалою Мооса 9,5), що робить різання та полірування трудомісткими.

4. Нітрид галію (GaN)

• Застосування:Високочастотні пристрої живлення (швидка зарядка, базові станції 5G), сині світлодіоди/лазери.

• Переваги:

  • Надвисока рухливість електронів + широка заборонена зона (3,4 еВ):Поєднує в собі високочастотну (>100 ГГц) та високовольтну продуктивність.

  • Низький опір увімкнення:Зменшує втрати потужності пристрою.

  • Сумісний з гетероепітаксією:Зазвичай вирощується на кремнієвих, сапфірових або SiC-підкладках, що знижує вартість.

• Недоліки:

  • Вирощування монокристалів у масі складне:Гетероепітаксія є поширеною, але невідповідність кристалічних решіток призводить до дефектів.

  • Висока вартість:Підкладки з природного GaN дуже дорогі (2-дюймова пластина може коштувати кілька тисяч доларів США).

  • Проблеми надійності:Такі явища, як поточний колапс, потребують оптимізації.

5. Фосфід індію (InP)

• Застосування:Високошвидкісний оптичний зв'язок (лазери, фотодетектори), терагерцові пристрої.

• Переваги:

  • Надвисока рухливість електронів:Підтримує роботу на частоті >100 ГГц, перевершуючи GaAs.

  • Пряма заборонена зона з узгодженням довжин хвиль:Матеріал серцевини для зв'язку з оптичним волокном 1,3–1,55 мкм.

• Недоліки:

  • Крихкий та дуже дорогий:Вартість підкладки перевищує 100× кремній, обмежені розміри пластин (4–6 дюймів).

6. Сапфір (Al₂O₃)

• Застосування:Світлодіодне освітлення (епітаксіальна підкладка GaN), покривне скло для побутової електроніки.

• Переваги:

  • Низька вартість:Набагато дешевше, ніж підкладки SiC/GaN.

  • Відмінна хімічна стабільність:Стійкий до корозії, має високі ізоляційні властивості.

  • Прозорість:Підходить для вертикальних світлодіодних конструкцій.

• Недоліки:

  • Велика невідповідність кристалічних решіток з GaN (>13%):Викликає високу щільність дефектів, що вимагає буферних шарів.

  • Погана теплопровідність (~1/20 кремнію):Обмежує продуктивність потужних світлодіодів.

7. Керамічні підкладки (AlN, BeO тощо)

• Застосування:Теплорозподільники для потужних модулів.

• Переваги:

  • Ізоляція + висока теплопровідність (AlN: 170–230 Вт/м·K):Підходить для упаковки високої щільності.

• Недоліки:

  • Немонокристалічний:Не може безпосередньо підтримувати зростання пристрою, використовується лише як пакувальна підкладка.

8. Спеціальні субстрати

• SOI (кремній на ізоляторі):

  • Структура:Кремній/SiO₂/кремнієвий сендвіч.

  • Переваги:Зменшує паразитну ємність, радіаційно-зміцнений, пригнічує витік (використовується в радіочастотних та мікроелектромеханічних системах).

  • Недоліки:На 30–50% дорожче, ніж масовий кремній.

• Кварц (SiO₂):Використовується у фотошаблонах та MEMS; стійкий до високих температур, але дуже крихкий.

• Діамант:Підкладка з найвищою теплопровідністю (>2000 Вт/м·K), що знаходиться на стадії досліджень та розробок для забезпечення надзвичайно високої тепловіддачі.

Порівняльна зведена таблиця

Ключові фактори вибору субстрату

• Вимоги до продуктивності:GaAs/InP для високих частот; SiC для високої напруги, високих температур; GaAs/InP/GaN для оптоелектроніки.

• Обмеження вартості:Споживча електроніка надає перевагу кремнію; високоякісні галузі можуть виправдати преміальні ціни на SiC/GaN.

• Складність інтеграції:Кремній залишається незамінним для сумісності з CMOS.

• Термічний менеджмент:Для потужних застосувань перевагу надають SiC або GaN на основі алмазів.

• Зрілість ланцюга поставок:Si > Сапфір > GaAs > SiC > GaN > InP.

Майбутній тренд

Гетерогенна інтеграція (наприклад, GaN-на-Si, GaN-на-SiC) збалансує продуктивність та вартість, стимулюючи прогрес у 5G, електромобілях та квантових обчисленнях.